（凝聚态物理专业论文）高自旋极化氧化物的逾渗增强磁电阻效应.pdf

高自旋极化氧化物的逾渗增强磁f 乜阻效应 中文摘要 中文摘要 近年来，磁电阻效应因其重要的理论价值和广阔的商业应用前景而得到广泛的研 究。高自旋极化氧化物具有接近1 0 0 的自旋极化率。由这类材料构成的异质结构中 表现出极大的磁电阻效应，而半金属颗粒复合体系中就是这类异质结构的典型代表。 实验发现，该类材料的磁输运性质受到材料构性、颗粒分布等因素的明显影响，且在 逾渗阈值附近观察到显著的磁电阻增强效应。探究高自旋极化氧化物体系逾渗增强磁 电阻效应不仅具有理论上的学术价值，同时也为实际应用提供可行方案。本文中我们 利用网络模拟的方法，对描述高自旋极化氧化物的输运网络的逾渗行为进行系统研 究，探讨在网络中有效增强磁电阻的方法。主要工作如下： 我们编写了能在一定程度上处理c r i t i c a ls l o w i n gd o w n ( c s d ) 现象的无规电导网 络模拟算法。电阻网络的模拟中，由于c s d 现象普通的k i r c h h o f f 迭代在渗流阚值时失 效。而宽分布型电阻网络模拟中普通算法的失效实际上也是一种逾渗体系的c s d 现 象。在这种电阻网络中，即使没有不同材料的复合，也会由于电导的宽分布导致电流 向部分较大电导集中，形成类似逾渗临界点附近的通道结构。为了处理这种内禀的逾 渗结构，我们借鉴了其他专用于解决二元电阻网络逾渗行为的算法，通过先提取宽分 布电导网络中的b a c k b o n e ，所得系数矩阵以r o w i n d e x e d c o m p a c ts t o r a g e 进行储存，并 采用b i c o n j u g a t e dg r a d i e mm e t h o d 求解，从而大大提高了运算的速度和精度，使宽分布 下自旋极化输运网络的模拟成为可能。由于充分考虑了电阻网络的逾渗特点，这种算 法不仅可用于电导宽分布引起的内禀逾渗，也可用来计算复合材料中多相共存时的逾 渗现象。我们在后来的工作中采用该算法计算了几种不同逾渗机制的自旋极化输运网 络，得到了较好的结果。 我们系统讨论了不同逾渗机制下磁电阻的增强行为。半金属磁性氧化物与其他绝 缘材料复合而成的体系可以简单描述为具有磁电阻效应的金属键和绝缘键构成的二 元无规电阻网络。实验上观察到此类材料在逾渗点处发生显著的磁电阻增强效应。我 们通过网络模拟得到与实验现象趋势一致的结果，证明在这种机制下，逾渗通道的准 一维性确实有利于磁电阻的增强：磁电阻m r 从纯金属键时的5 6 上升到阈值附近的 高白旋极化氧化物的逾渗增强磁电阻效应 中文摘要 8 3 。然而，在宽分布电导网络的内禀逾渗机制下，我们采用网络模拟和理论分析， 对这种宽分布自旋极化输运网络的磁输运性质进行了详细的研究。令人惊讶的是，当 网络中只存在单种磁输运机制时，电流局域化导致的逾渗通道只会令网络磁电阻稍有 增强。当自旋极化率达到1 0 0 时，相应的磁电阻仅从5 6 上升到6 1 左右。网络模拟 和理论计算对此都获得了一致的结果。这一结论说明，原先普遍假定的准一维逾越通 道必定会大幅度增强磁电阻效应并不适用于此机制下的材料磁输运行为。我们提出， 这种磁电阻的抑制现象来源于宽分布电导网络逾渗通道的可变性。由于该网络中逾渗 通道的形成取决于电导的分布，而非普通机制下的材料复合，当磁场发生变化时，网 络中电导分布随之变化，从而导致逾渗通道的改变。这种与磁场相关的逾渗现象与通 道固定的普通逾渗有着本质的区别，它会严重的抵消逾渗结构的准一维性带来的磁电 阻增强效应。 我们讨论了在高自旋极化氧化物颗粒复合体系中不同输运机制共同作用和相互 竞争对磁电阻效应的影响。颗粒复合体系的磁电阻强烈依赖颗粒边界区域性质，所以 也称为颗粒边界磁电阻( g b m r ) 。h o f e n e r 等人提出的三电流模型很好的说明了 g b m r 随温度的升高而迅速降低的实验现象，他们根据g l a z m a n - - m a t v e e v 的多步隧 穿理论，认为弹性通道和非弹性通道中只有前者对磁电阻有贡献，随着温度的升高隧 穿中的非弹性通道迅速增加从导致磁电阻的降低。简单的三电流模型仅仅适合于描述 单个隧道结，而我们把它推广为可以描述实际颗粒体系的网络模型。模拟的网络体系 的电导和磁电阻同时都能与实验结果符合的很好。不仅如此。我们发现在相同温度下， 体系电导具有较宽分布时的磁电阻比起电导窄分布时明显增强。通过仔细的分析，我 们认为这种增强是由体系中不同隧穿机制之间竞争的网络自优化行为导致的。当体系 电导具有较宽分布，电流可以形成内禀渗流路径，由于弹性和非弹性通道之间竞争使 得电流集中到那些具有较高磁电阻的隧道结上，这样整个网络的磁电阻得到了有效的 增强。颗粒体系中的电导具有较宽的分布，网络自优化效应显著，特别是在有第二相 加入时，这样合理的解释了实验观测到的大量逾渗增强磁电阻的现象。 以隧穿机制为主的颗粒复合体系中，材料的几何构形对输运性质有重要的影响。 针对实验中采用的特定颗粒复合材料的构形( 如c r 0 2 一t i 0 2 颗粒复合材料等) ，我们 研究了描述两相颗粒尺寸对比显著的复合材料的颗粒分离型隧穿模型中的磁输运行 i l 高自旋极化氧化物的逾渗增强磁屯阻效应 中文摘要 为。此类材料中逾渗通道由聚集在大颗粒表面的小颗粒间隧穿电导构成。这种s t p m 网络由一定数目的串联电导来代替二元分布中单个的导通键，从而可以形成满足非普 适临界指数电导分布的网络构形。通过模拟，我们发现：对于s t p m 构形下的电阻网 络，除了同样发现渗流可以明显增强磁电阻效应以外，其在远离临界点时也比普通二 元分布下的磁电阻要高，特别的，在具有非普适临界指数t 的构形下，由于远离临界 点而导致磁电阻的衰减变化要小的多。s t p m 网络在整个浓度范围内的磁电阻增强效 应主要来源于由于小颗粒的聚集而导致的通道准一维性的加强。在具有非普适临界指 数t 的构形下，电阻也具有极宽的分布，宽分布电阻网络逾渗通道的可变性又在一定 范围内抑制了磁电阻由于导通键浓度减少而引起的磁电阻增强。 关键词：高自旋极化氧化物，磁电阻，电阻网络，逾渗，颗粒边界，s t p m 1 1 1 作者：伍建春 指导教师：李振亚、孙华 高自旋极化氧化物的逾渗增强磁电阻效应a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n t l y , m a g n e t o r e s i s t a n c e ( m r ) e f f e c t sh a v eb e e nw i d e l yi n v e s t i g a t e df o rt h e i r f u n d a m e n t a li m p o r t a n c ea n dt h ep o t e n t i a lt e c h n o l o g i c a la p p l i c a t i o n h i 曲s p i n - p o l a r i z e d o x i d e sw i mn e a r l y1 0 0 s p i n - p o l a r i z a t i o ne x h i b i tg r e a tm a g n e t o r e s i s t a n c ee f f e c t si nt h e i r h e t e r o g e n e o u ss t r u c t u r e s a m o n gt h e s es t r u c t u r e s ，h a l f - m e t a l l i cg r a n u l a rs y s t e m sa r e o u t s t a n d i n g m a n ye x p e r i m e n t sh a v es h o w nt h a tm a g n e t o t r a n s p o r tp r o p e r t i e si nt h e s e g r a n u l a rs y s t e m sa r ed e p e n d e n to nt h em i c r o s c o p i cc o n f i g u r a t i o n s p a r t i c u l a r l y , t h e m a g n e t o r e s i s t a n c ec a nb eg r e a t l ye n h a n c e di nh a l f - m e t a l l i c i n s u l a t o rc o m p o s i t e sc l o s et o t h ep e r c o l a t i o nt h r e s h o l d s t u d yo fp e r c o l a t i o nb e h a v i o ro fm a g n e t o t r a n s p o r tn e t w o r ki n t h e s es y s t e m si sn o to n l yo ft h e o r e t i c a li m p o r t a n c eb u ta l s ov a l u a b l ef o rt h et e c h n o l o g i c a l a p p l i c a t i o n 1 n h ep u r p o s eo ft h i sw o r ki st 0s y s t e m i c a l l ys t u d yt h ep e r c o l a t i o nb e h a v i o r si n t h e s em a t e r i a l sa n dt o i n v e s t i g a t et h e m e t h o d st oe n h a n c em a g n e t o r e s i s t a n e ei nt h e s p i n - p o l a r i z e dc o n d u c t a n c en e t w o r k 1 1 l em a i nr e s u l t so f o u rs t u d ya r cl i s t e da sf o l l o w s w eh a v ec o m p o s e da l l a l g o r i t h mt od e a lw i t ht h en o t o r i o u sc r i t i c a ls l o w i n g d o w n ( c s d ) f o rs o l v i n gn u m e r i c a l l y t h er a n d o mr e s i s t o rn e t w o r k p r o b l e m n e c o n v e n t i o n a lr e l a x a t i o nm e t h o d sf o r s o l v i n gk i r c h h o f f se q u a t i o n so fi 碌na 坞n o t e f f e c t i v ew h e nt h es y s t e ma p p r o a c h e si t sp e r c o l a t i o nt h r e s h o l d ：i t sp e r f o r m a n c ed e c r e a s e s r a p i d l ya tt h ec r i t i c a lr e g i o no fam e t a l - i n s u l a t o r - l i k ep h a s et r a n s i t i o n as o c a l l e dc r i t i c a l s l o w i n gd o w n ms a n l ep r o b l e me x i s t si nt h es h n u l a t i o no ft h en e t w o r k s 谢t l iab r o a d d i s t r i b u t i o no f c o n d u c t a n c e w h e nt h ec o n d u c t a n c ed i s t r i b u t i o ni sb r o a de n o u g ht of o r ma n i n t r i n s i cp e r c o l a t i v ep a t h , t h ef r a c t a lg e o m e t r yl e a d st oam u l t i f i ”a c t a id i s t r i b u t i o no f v o l t a g e d r o p sa c r o s st h en e t w o r ka n di nt h i sw a yr e d u c e st h es p e e do fc o n v e r g e n c ei ni t e m t i v e s o l u t i o n s i no r d e rt od e a lw i t ht h er r nw i t hab r o a dc o n d u c t a n c ed i s t r i b u t i o n ，w e c o m p o s ean e wa l g o r i t h mb a s e do nt h o s ea p p l i e dt ot h eb i n a r yd i s t r i b u t i o nr r n f i r s t ，w e c o m p u t et h e e o r m e c t e dc l u s t e r ”u s i n gm o d i f i e dh o s h e n - k o p e l m a na l g o r i t h m n e x tw e e x t r a c tc u r r e n t - c a r r y i n gb a c k t o n ea n ds t o r et h et o e m c i e n tm a t r i x w i t hr o w - i n d e x e d c o m p a c ts t o r a g es t r a t e g y f i n a l l yw eu s et h eb i c o n j u g a t eg r a d i e n tm e t h o dt os o l v et h e m a t r i x i no b rw o r k 。t h i sa l g o r i t h mi sp r o v e dt ob ea c c u r a t ea n de 街c i e n tf o rt h ei 球n 稍t l l ab r o a dc o n d u c t a n c ed i s t r i b u t i o na n ds o m eu s e f u lr e s u l t sh a v e b e e no b t a i n e d w eh a v ed i s c u s s e dt h ee n h a n c e dm a g n e t o r e s i s t a n c ec a u s e db yd i f f e r e n tp e r c o l a t i o n 高自旋极化氧化物的逾潘增强磁电阻效戍 a b s t r a c t m e c h a n i s m s h a l f - m e t a l l i c i n s u l a t o rc o m p o s i t e sc a l lb es i m p l yt r e a t e da sab i n a r yr r n c o m p o s e do fs p i nd e p e n d e n t m e t a l l i cb o n d sa n di n s u l a t o rb o n d s e n h a n c e d m a g n e t o r e s i s t a n c ea r es h o w ni nm a n ye x p e r i m e n t sc l o s et ot h ec o n d u c t i o nt h r e s h o l d w e a r g u et h a tq u a s i i dp e c o l a t i v ep a t hc a ne n h a n c eg l o b a lm a g n e t o r e s i s t a n c ea c c o r d i n gt ot h e a g r e e m e n tb e t w e e no u rn e t w o r ks i m u l a t i o n sa n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s i no u rs i m u l a t i o n ， t h e n e t w o r km a g n e t o r e s i s t a n c ec a nb ei n c r e a s e df r o m5 6 。i np u r em e t a l l i cb o n d st o8 3 n e a rp e r c o l a t i o nt h r e s h o l di nt h ec a s eo fb i n a r yd i s t r i b u t i o n f u r t h e r m o r e ，w es t u d yt h e m a g n e t o t r a n s p o r tp r o p e r t i e so ft h es p i n - p o l a r i z e dr r nw h e na ni n t r i n s i cp e r c o l a t i o np a t h i sf o r m e dd u et ot h eb r o a dc o n d u c t a n c ed i s t r i b u t i o ni nt h en e t w o r k t h es u r p r i s i n gr e s u l ti s t h a tc u r r e n tl o c a l i z a t i o ni nt l l e s en e t w o r k sc a no n l ye n h a n c et h em ri nam o d e r a t ew a y e v e nw i t ht h e1 0 0 s p i np o l a r i z a t i o n ，t h ec o r r e s p o n d i n gm ri se n h a n c e df r o m5 6 t o 6 1 ，m u c hl o w e rt h a nt h ee x p e c t e dv a l u ei np e r c o l a t i n gs y s t e m s t h ew e l l - k n o w n a s s u r n p t i o nt h a ta n yq u a s i - 1 dp e r c o l a t i v ep a t hc o u l de n h a n c em rd r a m a t i c a l l y i n h a l f - m e t a l l i cs y s t e m si sp r o v e dt ob ei n v a l i di nt h i sc a s e w ea r g u et h a tt h ef l e x i b i l i t yo f p e r c o l a t i o np a t hi nb r o a d d i s t r i b u t e dc o n d u c t a n c en e t w o r k sm a k e san e g a t i v ec o n t r i b u t i o n t ot h em re n h a n c e m e n t p e r c o l a t i v ep a t hi nb r o a d - d i s t r i b u t e dc o n d u c t a n c en e t w o r k si s 。 d e t e r m i n e db yt h ed i s t r i b u t i o no fc o n d u c t a n c er a t h e rt h a nt h ec o m b i n a t i o no fd i f f e r e n t m a t e r i a l si nc o n v e n t i o n a lb i n a r yp e r c o l a t i o n i nas p i n - p o l a r i z e dr r n ，t h ei n t r i n s i c p e r c o l a t i v ep a t h v a r i e sw i t ht h e a p p l i e dm a g n e t i cf i e l d ，w h i c h r e s t r a i n st h et o t a l m a g n e t o r e s i s t a n c ee f f e c t t h e r e s u l t so fs i m u l a t i o na r ec o m p a r e dw i t ht h e t h e o r e t i c a n a l y s i sa n dag o o da g r e e m e n ti sf o u n d w ca l s oi n v e s t i g a t e dt h ee n h a n c e dm rb e h a v i o r sd u et ot h ec o m p e t i t i o na m o n gt r a n s p o r t m e c h a n i s m s t h em ro b s e r v e di n g r a n u l a re o r a p o s i t e s i s s t r o n g l y i n f l u e n c e db yt h e c h a r a c t e r i s t i co fg r o i nb o u n d m - y , s oi ti sc a l l e dg a i n - b o u n d a r ym a g n e t o r e s i s t a n c e ( o b m r ) t h e s i m p l et h r e e - c u r r e n tm o d e lp r e s e n t e db yh o f e n e re la 1 e x p l a i n st h eo b s e r v e dd e c r e a s eo f g b m rw i t l l t e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g u s i n gt h eg l a z m a n - m a t v e e v ( g m ) t h e o r y o f m u l t i - s t e pt u n n e l i n g ，t h e yb e l i e v et h a to n l ye l a s t i cc h a n n e l sa r es p i nd e p e n d e n ta n dt h e i n c r e a s i n go f i n e l a s t i cc h a n n e l sw i t ht e m p e r a t u r e a r er e s p o n s i b l ef o rt h es h a r p l yd e c r e a s i n g o fg b m r t h es i m p l et h r e e c u r r e n tm o d e ld e s c r i b e da b o v ei so n l ya p p r o p r i a t ef o ras i n g l e g ba si ng bj u n c t i o n s w ee x t e n di tt oar a n d o mc o n d u c t a n c en e t w o r km o d e l ，w h i c h s i n a u l a t e st h er e a lg r a n u l a rs y s t e m s ，b yt a k i n gd i f f e r e n tt r a n s p o r tm e c h a n i s m si n t o c o n s i d e r a t i o n t h em o s ti n t e r e s t i n gr e s u l ti st h a t ，w h e nt h ec o n d u c t a n c ed i s t r i b u t i o ni s v 壅! 堑壁些墨些塑塑堕堡垡塑壁垒坐垫生 垒! ! ! 竺! b r o a de n o u g ht of o r ma ni n t r i n s i cp e r c l o a t i v ep a t h ，t h en e t w o r k w i l le x h i b i ta s e l f - o p t i m i z a t i o nb e h a v i o rd u et o t h ec o m p e t i t i o no fe l a s t i ca n di n e l a s t i ct u n n e l i n g ， i n d u c i n ga no b v i o u sm re n h a n c e m e n t s u c hab r o a dd i s t r i b u t i o no fc o n d u c t a n c ei s c o m l n o ni ng r a n u l a rs y s t e m s ，s 0n e t w o r ks e l f - o p t i m i z a t i o nw i l lp l a yav e r yi m p o r t a n tr o l e e s p e c i a l l yw h e nas e c o n dp h a s ei s a d d e di ns u c hs y s t e m s i m u l a t i o nr e s u l t so ft h e c o n d u c t a n c ea n dm a g n e t o r e s i s t a n c ea l ei ng o o da g r e e m e n tw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t s g e o m e t r yc o n f i g u r a t i o np l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h em a g n e t o t r a n s p o r te f f e c t s b a s e do ni n t e r g r a n u l a rt u n n e l i n g d i f f e r e n tm rb e h a v i o r sn e a rp e r c o l a t i o nt h r e s h o l dr e g i o n h a v e b e e ns h o w ni nv a r i o u ss a m p l e s w ce m p l o y e dt h es e g r e g a t e dt o n n e l i n g - p e r c o l a t i o n m o d e lr s t p m ) t oi n v e s t i g a t et h em a g n e t o t r a n s p o r tb e h a v i o ri nm a t e r i a l sw i t i ld i f f e r e n t m i c r o s c o p i cc o n f i g u r a t i o n s u n l i k et h eo r d i n a r yb i n a r yr r nm o d e l ，t h es t p mc a n d e s c r i b et h es p e c i a lg e o m e t r i cs t r u c t u r ei nw h i c ht h et i n yc o n d u c t i n gg r a i n sa r es e g r e g a t e d b yl a r g ei n s u l a t i n gg r a i n s o u rs i m u l a t i o ns h o w ss u c h as e g r e g a t i o no fg r a i n sc a n i m p r o v et h eg l o b a lm r b e h a v i o ri nt h ew h o l er e g i o no fc o n c e n t r a t i o n e s p e c i a l l yi nt h e s y s t e m so fn o n - u n i v e r s a lc r i t i c a le x p o n e n t s ，t h ed e c r e a s eo fm r w h e nt h es y s t e md e p a r t s f r o mt h ep e r c o l a t i o nt h r e s h o l di sm u c hs l o w e rt h a no t h e r s t h eh i g i a e rg l o b a lm r i ns t p m r o o t si nt h ec l o s e l yq u a s i - 1 dc u r r e n tp a t hc o m p o s e do fs e g r e g a t e dt i n yg r a i n s f o rt h e s y s t e m so fn o n - u n i v e r s a lc r i t i c a le x p o n e n t s t h eb r o a dd i s t r i b u t i o no fc o n d u c t a n c ei nt h e n e t w o r kl e a d st oaf i e l d - d e p e n d e n tp e r c o l a t i o np a t hw h i c hr e s t r a i n st h em r e n h a n c e m e n t c a n s e db yt h ed e c r e a s eo f t h ec o n c e n t r a t i o no f t h ec o n d u c t i n gb o n d s k e y w o r d s ：h i g hs p i n - p o l a r i z e do x i d e s ，m a g n e t o r e s i s t a n e e ，r e s i s t a n c en e t w o r k , p e r c o l a t i o n ，g r a i n - b o u n d a r y ，s e g r e g a t e dt u n n e l i n g - p e r c o l a t i o nm o d e l w r i t t e nb yw uj i a n c h u n s u p e r v i s e db yp r o f l iz y & s u n h u a 苏州大学学位论文独创性声明及使剧授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏 州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出霞要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本 声明的法律责任。 研究生签名：僮魅日期：塑堕：堡 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论 文合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，m 以采用影印、缩印或其他复制手段僳存论 文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：鱼醯| j期：基盔! 互：j 导师签名：雾牲日 期：越驾衄 孙娣 高自旋极化氧化物的逾渗增强磁l 乜阻效应第一章绪论 第一章绪论 近年来，高自旋极化氧化物颗粒复合体系因其重要的学术价值和广泛的应用前景 而成为凝聚态物理和材料科学的研究热点。随着磁电阻效应的研究和自旋电子学的发 展，具有高自旋极化的半金属磁体同益受到广泛关注。在这类材料中由于电子自旋的 完全极化，使由其组成的异质结构的电阻在很小的磁场下就会发生明显的变化。大量 的实验发现在多晶、粉末等颗粒复合结构逾渗值附近磁电阻增强效应是十分明显的。 颗粒体系作为一个电输运网络，体系的磁电阻实质上是整个网络效应的结果。从理论 上探求高自旋极化氧化物颗粒复合体系中磁逾渗增强行为，利用网络模拟的方法，对 描述颗粒体系的磁电阻效应的高自旋极化输运网络进行系统研究，不仅将有助于更进 一步的理解磁电阻网络效应，而且也为在实验上提高磁电阻提出更有效的方法。 1 高自旋极化物的简介 众所周知，普通的铁磁金属由于能带劈裂而分裂成两个不同的自旋子带，自旋多i 数子带( 载流子自旋平行于磁化方向) 和自旋少数子带( 载流予自旋反平行于磁化方 向) 。在费米面附近由于自旋多数d t ( e ) 和自旋少数q ( d 的态密度不同从而导致载 流子自旋极化，所以自旋极化率的一般定义是 j p = 里! ! 墨! 二旦! 墨! ( 1 1 ) d t ( e ) + d l ( e ) 1 9 8 3 年，d eg r o o t 等人在对半霍伊丝勒( s e m i h e u s l e r ) 合金n i m n s b 和p t m n s b 作能带计算时，得到了一种特殊的能带结构 1 。其能带中一个自旋子带在费米面上 有传导电子，而对于另一个子能带费米能级恰好落在价带和导带的能隙中。换言之两 种自旋能级分别具有金属性和绝缘性。因此，d eg m o t 把具有这种能带结构的物质称 为“半金属”磁体( h a l f - m e t a l l i cm a g n e t s ) 。这样的一种特殊的能带结构自然会带来 一系列特殊的性质，其中最显著的表现是传导电子的完全自旋极化。依照( 1 1 ) 的 定义，半金属磁体在费米能级上的电子自旋极化率为百分之百( p = 1 0 0 ) ，远远超 过了一般铁磁金属及其合金的的极化率范围( p = 1 0 4 0 ) 。图1 1 给出了铁磁体 高自旋极化氧化物的逾渗增强磷电阻效应 第一章绪论 和半金属磁体中电子态密度d ( e ) 的示意图。正是这种极限下的完全极化的输运性 质使半金属磁体正在成为近年来不断发展的磁输运的理论的重要研究对象，并有望在 自旋电子学中占据重要地位，为下一代电子器件提供有价值的材料。 半金属磁体是一类范畴极广的材料，它们可以有不同的结构、不同的磁性、不同 的输运性质，只要能产生完全自旋极化的传导电子。能被认为属于半金属磁体的材料 主要可分为两大类：一类是以霍伊丝勒合金或半霍伊丝勒合金为代表的三元金属化合 物；另一类是在费米能级上d 电子占主要地位的磁性金属氧化物。 最早发现的半金属磁体n i m n s b 即是第一类半金属的典型代表，半金属的命名也 是由此种金属的能带计算得来。最简单的半金属为c r 0 2 。这种金红石结构的金属性 铁磁氧化物被广泛用作磁记录材料。1 9 8 6 年，s c h w a r z 给出了c r 0 2 的能带结构，并 指出它是一种半金属磁体【2 】。此后，其他的一些能带计算也得到了同样的结论【3 ，4 】。 图1 2 是l e w i s 计算得到的c r 0 2 态密度，用l s d a 3 和l s d a + u 4 的能带计算表明 两个分别自旋自带具有金属性与绝缘性( 自旋少数带在费米能级附近存在大约1 5 e v 的带隙) 。受到极大关注的半金属磁体是掺杂的钙钛矿锰氧化物l n 。a ，m _ n o ，( l n 为 三价稀土族元素，a 为c a ，s r ) 。这种氧化物的磁性基于双交换作用，使电子的输运 性质与系统的磁结构密切相关【5 ，6 l ，只有当m n 离子上的局域磁矩平行排列时扩展态 电子才能在不同离子间巡游。巡游电子的自旋在强烈的洪特作用下与局域磁矩方向一 致，从而导致传导电子的完全极化。除了半金属性质之外，在这类材料中由于自旋， 轨道，电荷和晶格四个自由度的共同作用和相互竞争，展现出丰富的相图，因而成为 近几年来人们研究的一个热点。除了这三种典型的半金属磁体外，还有大量的其他的 化合物也属于半金属磁体，如具有一1 0 0 自旋极化率的亚铁磁性的如q ，具有双 钙钛矿结构的s r 2 f e m o o 。，以及一些稀磁半导体材料( 如( g a ，m n ) a s 和( h g ， m n ) s e ) 等【7 】。 2 商自旋极化氧化物的逾渗增强磁电叭效应 第一章绪论 ( a ) + s g t r , g f m u r e g a e t 竺生型! ! 竺竺竺 c廿 i ) k ，一 卜7 、 ) p p j 一 l 。 i i 1 硝日 图1 1 ：( a ) 铁磁体和半金属磁体中电子态密度d ( e ) 的示意图 j ： 心忱 - - l 1 w ： _ e n e r 盯( e 町 图1 2 ：能带计算得到的半金属磁体c r 0 2 的态密度。虚线表示费米能级，同时落在多子能带( 即 自旋向上能带) 的态密度极小值处和少子能带( 既自旋向下能带) 的能隙中。( 摘自l e w i ss p e t a l ， p h y s r e v b ，1 9 9 7 ，5 5 ：1 0 2 5 3 ) 2 磁电阻效应和自旋电子学 磁电阻效应( m a g n e t o r e s i s t a n c ee f f e c t ) 是指在磁场作用下材料的电阻的相对改 变，其传统定义为 fp、写3暑l8芎参葛算a 高自旋极化氧化物的逾渗增强磁电l ；i i 效应第一章绪论 m r ：r ( h ) - r ( o ) f 1 2 1 r ( 0 ) 其中，r ( 爿) 为外场h 下材料的电阻。当有外加磁场时，电子在洛伦兹力作用下受到 的散射增强，所以金属一般都具有经典的磁电阻效应，但这种电阻变化的幅度通常极 小，一般小于l 。 1 9 8 8 年，b a i b i c h 等人发现在f e - - c r 多层膜中的巨磁电阻效应( g m r ) 【8 】。在 这样的铁磁一非铁磁金属交替排列的多层膜中，无外场时，铁磁层的磁矩在反铁磁耦 合作用下反向平行排列，使电子受到的自旋相关散射最大：随着外场的增大，自旋相 关散射迅速下降直至饱和。很快，类似的现象在磁性金属一非金属的颗粒复合体系中 也很快被发现。这种电阻在外加磁场下减少的相对值可达5 0 0 ，为以后的大量商业 应用提供了可能。随后在短短的十年内i b m 公司即推出利用g m r 制成的用于硬盘 驱动器的读磁头，由于其对外场的灵敏度高于各向异性磁电阻效应( a m r ) ，使得硬 盘的容量大大提高。1 9 9 7 年1 月h o n e y w e l l 公司演示了第一台磁性随机读写存储器 ( m r a m ) 。同样利用g m r 制成的传感器也被广泛使用。这些产品已经显示出广阔 的市场前景【9 】。 由于具有潜在的应用价值，人们开始关注各种磁相关的输运现象磁输运 ( m a g n e o t r a n s p o r t ) 【1 0 】。除了在金属性多层膜中发现了g m r 外，金属和绝缘体材料组 成的层状结构中也发现了磁电阻现象。早在7 0 年代，j u l l i e r e 就提出了著名的j u l l i o t e 公式来解释存在于铁磁金属绝缘层铁磁金属( f m i ，f m ) 隧道结中的隧穿磁电阻现 象【1 1 】。根据隧穿理论，隧道结中的隧穿电导与左右两侧金属电极中电子在费米面上 的态密度的乘积成正比 g * d l ( 乓) d r ( 廓) ( 1 3 ) j u l l i e r e 将此关