（材料学专业论文）la1xnaxmno3块材及薄膜的制备和电磁输运性能的研究.pdf

l a ，；n a ，m n 0 3 块材及薄膜的制备和电磁输运性能的研究 摘要 钙钛矿锰氧化物材料所表现出的巨磁电阻效应( c m r ) ，在提高磁存储密度 和磁传感器等方面具有十分广阔的应用前景。这类材料属于强关联体系，有着 不同寻常的电磁输运性能，蕴涵了丰富的物理内涵，因此成为当今凝聚态物理 学和材料物理学中最前沿的领域之一。在本论文中，作者通过实验研究，对单 价n a 元素掺杂锰氧化物l a m n 0 3 块材和薄膜的物理性能作一些研究和探索。 本论文第一章简要综述了各种巨磁电阻( c m r ) 材料的研究进展及其物性 性能，概述了巨磁电阻效应的应用前景。 第二章详细介绍了锰氧化物材料的c m r 效应的研究进展和丰富物理性能。 包括晶体结构、电子结构、电磁输运性质以及一些特殊物理现象。解释了该材 料c m r 效应可能的理论模型，阐明了各种因素对c m r 效应的影响。 第三章我们研究了l a l 。n a 。m n 0 3 ( x = 0 1 0 ，1 6 ，o 2 0 ) 多晶块材的晶体结构 和电磁输运性能。实验结果表明所有样品的晶体结构均为菱形结构，样品的屠 里温度t c 均在室温或室温以上，零场和加场冷却的m 一丁曲线出现分叉现象。 所有样品的p t 曲线都出现了金属绝缘体转变现象，转变温度t p 与居里温度 t c 相对应。加0 5 t 外磁场后，三个样品出现巨磁电阻效应，m r 峰值出现在 t p l 附近。均在室温或以上。其中x = 0 1 0 样品的m r 峰值最大，在3 0 2 k 达到 1 7 4 。同时还观察到低温下异常的电输运行为，结合竹一r 曲线出现分叉现象， 我们认为两者与样品中电、磁不均匀分布有关。 第四章采用r f 射频磁控溅射方法在l a a l 0 3 ( 0 0 1 ) 单晶的基片上制各 l a l 。n a 。m n 0 3 ( x = 0 1 0 ，1 6 ，0 2 0 ) 薄膜，并研究它们的电输运性能。实验结 果表明所有薄膜样品都出现了金属一绝缘体转变现象，转变温度t p 均比多晶块 材的低很多，并且在t p 附近出现了大的低场巨磁电阻效应。其中x = 0 2 0 薄膜 的m r 峰值最大，在2 3 6 k 和o 5 t 的磁场中为2 6 4 。通过对p t 曲线实验数 据拟合发现，薄膜样品在低温区电输运机制是电子一电子散射和电子一磁振子 的相互作用，而在高温区电输运机制是小极化子跃迁输运。 第五章采用r f 射频磁控溅射法和直流磁控溅射法在l a a l 0 3 ( 0 0 1 ) 的单晶 基片上制备了l a o8 n a o2 m n 0 3 l a d7 5 m n 0 3 l a o8 n a o2 m n 0 3 三层膜，并研究其电 输运性能。借助x 射线衍射结果，表明是取向生长的三层膜。我们测量了三层 膜的r 叮关系曲线，结果表明三层膜的电阻比l n m o 单层膜的大，在2 0 0 k 和 0 5 t 的磁场中，三层膜的m r 峰达到3 2 2 ，其可能的原因源于层间交互作用， 电子在界面处的自旋相互散射以及内应力造成的点阵畸变所致。 关键词：巨磁电阻效应，电磁输运性能，磁不均匀分布，相分离，薄膜 s t u d i e so nt h ep r e p a r a t i o na n dt r a n s p o r tp r o p e r t i e s i nb u l k sa n dt h i nf i l m so fl a l ，n a x m n 0 3 a b s t r a c t t h ec o l o s s a lm a g n e t o r e s i s t a n c e ( c m r ) b e h a v i o r si np e r o v s k i t em a n g a n e s e o x i d e sh a v ea t t r a c t e dg r e a ta t t e n t i o nd u et ob o t hf u n d a m e n t a lt h e o r yo fc o n d e n s e d m a t t e rp h y s i c sa n dp o t e n t i a la p p l i c a t i o n so fc m rm a t e r i a l si nm a g n e t i cd e v i c e s ， e g ，r e a da n dw r i t eh e a d sf o rm a g n e t i cd i s kd r i v e r s ，m a g n e t i cr a n d o ma c c e s s m e m o r i e sa sw e l la sm a g n e t i cf i e l ds e n s o r s t h e r e f o r e ，t h es t u d yo nc m re f f e c th a s b e c o m eaf o c u so fr e c e n tc o n d e n s e d p h y s i c sa n dm a t e r i a ls c i e n c e i nt h i st h e s i s ，t h e a u t h o rh a si n v e s t i g a t e dt h ep h y s i c sa n dt r a n s p o r tp r o p e r t i e si nb u l k sa n dt h i nf i l m s o fn a - d o p e dm a n g a n e s eo x i d el a m n 0 3 i nc h a p t e r1 ，w eb r i e f l yr e v i e wt h ep r o g r e s sa n dp h y s i c sp r o p e r t i e so fd i f f e r e n t k i n d so fm a g n e t o r e s i s t a n c em a t e r i a l s f i n a l l y ，t h ep o t e n t i a la p p l i c a t i o n sa b o u tt h e s e k i n d so fm a t e r i a l sa r ei n t r o d u c e d i nc h a p t e r2 ，w ed e t a i l e d l yi n t r o d u c e dp l e n t yo fp h y s i c sp r o p e r t i e sa n dt h e r e s e a r c hp r o c e s si nm a n g a n e s eo x i d e s i n c l u d i n gt h e c r y s t a l l i n e & e l e c t r o n i c s t r u c t u r e ，e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s p o r ta n ds o m es p e c i a lp h y s i c sp h e n o m e n o n s f u r t h e r m o r e ，w ed i s c u s s e ds o m ep r o b a b l yt h e o r e t i c a lm o d e l sa n di n f l u e n c ef a c t o r s a b o u tc m ri nm a n g a n e s eo x i d e s i nc h a p t e r3 ，t h es t r u c t u r ea n de l e c t r o m a g n e t i cp r o p e r t i e so fp o l y c r y s t a l l i n e b u l kl a l x n a x m n 0 3 ( x = 0 1 0 ，1 6 ，0 2 0 ) a r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t si n d i c a t e t h a t t h es t r u c t u r eo fa l lt h e s es a m p l e si sr h o m b o h e d r a l t h ec u r i et e m p e r a t u r et ci sn e a r o ra b o v er o o mt e m p e r a t u r e ab i f u r c a t i o no c c u r sb e t w e e nb o t hf i e l d c o o l e da n d z e r o f i e l d c o o l e dj 】l 产tc u r v e s a na p p a r e n tm e t a lt oi n s u l a t o rt r a n s i t i o ni s o b s e r v e di nt h ep tc u r v ea n dt h et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r ec o r r e s p o n d st ot h ec u r i e t e m p e r a t u r et c 。al a r g e s tm rr a t i o ( 17 4 ) h a sb e e no b s e r v e da t3 0 2 ku n d e ra 0 5 tm a g n e t i cf i e l di nx = 0 1 0s a m p l e m e a n w h i l e ，a nu n u s u a le l e c t r o n i ct r a n s p o r t i so b s e r v e da tt h el o wt e m p e r a t u r e c o r r e s p o n dt ot h eb i f u r c a t i o n ，w et h i n kt h e u n u s u a le l e c t r o n i ct r a n s p o r td u et ot h ee l e c t r o n i ca n dm a g n e t i ci m h o m o g e n e o u s d i s t r i b u t i o n s i nc h a p t e r4 ，w es t u d i e dt h et r a n s p o r tp r o p e r t i e sa n dm a g n e t o r e s i s t a n c eo f l a l x n a x m n 0 3 ( x2 0 10 ，1 6 ，0 2 0 ) t h i nf i l m sd e p o s i t e do n t ol a a l 0 3 ( 0 0 1 ) s i n g l e c r y s t a ls u b s t r a t e sw i t hr fm a g n e t r o ns p u t t e r i n g t h er e s u l t si n d i c a t et h a ta n a p p a r e n tm e t a lt oi n s u l a t o rt r a n s i t i o no c c u r si na l lt h i nf i l m sa n dt h et r a n s i t i o n t e m p e r a t u r et p i sm u c hl o w e rt h a nt h a to fb u l k s n e a rt h e t p ，al a r g e m a g n e t o r e s i s t a n c ei so b s e r v e d t h el a r g e s tm rr a t i o ( 2 6 4 ) h a sb e e no b s e r v e da t 2 3 6 ku n d e rao 5 tm a g n e t i cf i e l di nx = 0 2 0s a m p l e a c c o r d i n gt ot h el i n e a rf i t t i n g r e s u l t so fr e s i s t i v t i yd a t a ，t h et r a n s p o r tp r i n c i p l e so ft h i nf i l m sa r ec o m b i n a t i o n e f f e c to fe l e c t r o n e l e c t r o n ，e l e c t r o n m a g n e t r o ns c a t t e r i n g ( 1 0 wt e m p e r a t u r e ) a n d s m a l lp o l a r o nh o p i n gm o d a l ( h i g ht e m p e r a t u r e ) i nt h ec h a p t e r5 ，w es t u d i e dt h et r a n s p o r tp r o p e r t i e sa n dm a g n e t o r e s i s t a n c eo f l a 0s n a 02 m n 0 3 l a 07 5 m n 0 3 l a 0s n a 02 m n 0 3 t r i l a y e r f i l m d e p o s i t e d o n t o l a a l 0 3 ( 0 01 ) s i n g l ec r y s t a ls u b s t r a t ew i t hr fa n dd cm a g n e t r o ns p u t t e r i n g t h e s t r u c t u r eo ft r i - l a y e rf i l mi so r i e n t e da se x a m i n e db yx r a yd i f f r a c t i o n t h e t e m p e r a t u r ed e p e n d e n c eo fr e s i s t a n c es h o w st h a tt h er e s i s t a n c eo ft r i l a y e rf i l mi s l a r g e rt h a nt h a to fl n m os i n g l ef i l m ae n h a n c e m e n ti nt h em rr a t i o ( 3 2 2 ) h a s b e e no b s e r v e da t2 0 0 ku n d e rao 5 tm a g n e t i cf i e l d t h ee n h a n c e m e n ti nm ri s p r o b a b l yd u et o a s p i ns c a t t e r i n go fe l e t c t r o n s a tt h el a y e ri n t e r f a c e sa n da n i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h el n m 0a n dt h el 0 7 5 m ol a y e ra sw e l la sa1 a t t i c e d i s t o r t i o nc a u s e db ya ni n t e r n a ls t r e s si nt h el n m o l 0 7 5 m o l n m ot r i 1 a y e r k e y w o r d s ：c o l o s s a lm a g n e t o r e s i s t a n c ee f f e c t ( c m r ) ，e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s p o r t p r o p e r t i e s ，m a g n e t i ci m h o m o g e n e o u sd i s t r i b u t i o n ，p h a s es e p a r a t i o n ( p s ) ，t h i nf i l m s 插图清单 图1 1 不同自旋的导带电子在磁性多层膜中g m r 产生的简明物理图及对应的电阻示 意图3 图1 2 具有s f f 2 x ( t a 5 n m n i f e 6 2 n m c u 2 2 n m n i f e 4 n m f e m n 7 n m t a 5 n m ) 结构样品的 磁电阻m r 在+ 5 0o e 到5 0o e 之间的响应4 图1 3 一种典型的s v 结构5 图1 - 4 颗粒膜的g m r 原理6 图1 5 铁磁层绝缘层铁磁层机构的磁隧道结6 图2 1a b 0 3 的晶格结构9 图2 2j a h n t e l l e r 畸变的物理图像1 0 图2 3 两种畸变模式q 2 和q 3 的示意图1 1 图2 - 4l a l - x d 。m n 0 3 ( 1 9 = c a ，s r ，b a ) 的结构相图1 2 图2 5a 型和g 型反铁磁结构示意图1 3 图2 - 62 0 k 时l a l x a 。m n 0 3 ( a = c a ，s r ，b a ) 样品的磁矩和m n 4 + 含量的关系1 3 图2 7 l a l 。c a x m n 0 3 中m n 4 + 离子自旋磁矩之间取向相对掺杂量关系1 3 图2 - 8l a l 。s r x m n 0 3 不同掺杂量时电阻率对温度的变化关系1 5 图2 - 9 锰氧化物中m n 3 + 一0 2 一m n 4 + 双交换作用简明图象1 6 图2 1 0 相邻锰自旋间的夹角( 章。) 示意图1 7 图2 1 1 ( a ) l a l x c a 。m n 0 3 材料的磁相图；( b ) 磁化强度( 上) 、电阻率( 中) 和磁电 阻率( 下) 同温度的关系18 图2 1 2 电荷有序示意图2 1 图2 1 3 轨道有序示意图2 2 图2 1 4 锰氧化物的磁有序结构：左图位七种简单的磁有序结构。右图为c e 型磁有序 结构- 2 2 图2 1 5f c 和z f c 的肘寸关系啦线2 3 图2 1 6 宏观电子相分离的简单模型2 4 图2 1 7l a l x c a 。m n 0 3 随掺杂量变化的相图，2 5 图3 1 ( a ) l a l x n a x m n 0 3 ( x = o 1 0 ，1 6 ，o 2 0 ) 的x 射线衍射结果。( b ) l a 5 6 n a u 6 m n 0 3 标准r i e t v e l d 程序拟合结果”2 7 图3 2m p m s - x l 5 的工作原理2 8 图3 3l a i x n a 。m n 0 3 ( x = o 1 0 ，1 6 ，o 2 0 ) 样品的 ，7 曲线( 0 0 1 t ，z f c ) 2 9 图3 - 4l a i x n a 。m n o a ( x = 0 1 0 ，1 6 ，o 2 ) 样品的m 叮曲线( 实心曲线为零场冷却后 加场升温曲线，空心曲线为o 0 1 t 加场冷却后加场升温曲线) 一3 0 图3 5 四引线法测电阻示意图3 i 图3 - 6l a j 。n a x m n 0 3 ( x = 0 1 0 ，1 6 ，0 2 0 ) 块材的矿r 关系曲线及m r t 关系曲线 - r - - - - - - - r - - “3 2 图3 7l a l 。n a x m n 0 3 ( x = o 1 0 ，1 6 ，o 2 0 ) 块材在退火前后零场的矿丁关系曲线；空 心曲线为未退火曲线，实心曲线为已退火曲线3 3 图3 - 8l n m o 低温实验数据拟合曲线一3 6 图3 - 9l n m o 在零场下的p r 丁曲线重新画成l n ( p t ) 一厅的形式，其中直线为拟合结 果3 7 图4 1 溅射的级联碰撞模型3 9 图4 2 磁控溅射的原理简图3 9 图4 3l a l x n a x m n 0 3 ( x = 0 1 0 ，1 6 ，o 2 0 ) 靶材的x 射线衍射结果4 2 图4 - 4l n m o l a o ( 0 0 1 ) 的x 射线衍射图( f 代表l n m o 薄膜，s 代表l a o ( 0 0 1 ) 基 片) 4 2 图4 5 零场( 0 t ) 下l n m o 薄膜的电阻率随温度变化关系曲线4 4 图4 - 6l a i - x n a x m n 0 3 ( x = 0 1 0 。1 6 ，o 2 0 ) 薄膜在零场和加场( 0 5 t ) 下的p - t 关系 曲线，插图是脚寸关系曲线”4 5 图4 - 7l n m o 薄膜在零场下的p 一丁曲线拟合结果。( 左) p t 曲线重新画成跏缈乃一 厅的形式，其中直线为拟合的结果；( 右) 低温实验数据与拟合结果4 7 图5 1 三层膜结构示意图4 8 图5 - 2l a os n a o2 m n 0 3 l a o7 5 m n 0 3 l a o8 n a o 2 m n 0 3 三层膜的x 射线衍射图样 - ，。t - - 一r - - - ，- - ，r - - - - - - - t - - - - - 4 9 图5 - 3l n m o l 0 7 5 m o l n m o 三层膜和l n m o 单层膜零场下的r 一，关系曲线 r 。- 。- 5 0 图5 - 4 加场后l n m o l 0 7 5 m o l n m o 三层膜的r r 关系曲线和m r - t 关系曲线 - - ，- - - - 5 0 表格清单 表3 1l a l x n a x m n 0 3 ( x = 0 1 0 ，1 6 ，0 2 0 ) 的结构参数 表3 2l a i x n a 。m n 0 3 ( x = o 1 0 ，1 6 ，0 2 0 ) 块材的电阻峰温度 表3 3l a l x n a 。m n 0 3 ( x - - - - 0 1 0 ，1 6 ，o 2 0 ) 块材的m r 峰值与峰值温度 表3 4l n m o 块材小极化子跃迁公式拟合的激活能 表4 - ll n m o 薄膜与块材主要物性参数比较一 表4 - 2l n m o 薄膜小极化子跃迁公式拟合的激活能 2 8 3 1 3 1 3 5 4 4 4 6 独创性声明 本人声明所号交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究t 作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 盒胆王些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 鸯徘签字日期：) 年6 月乒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒艘兰些左堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金挺王业鑫堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 巷虺伏 导师签名 签字日期：沁( 年月毕日签字日期：如6 年6 月4 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 致谢 本论文是在尊敬的导师李合琴教授的精心指导和悉心关怀下完成的。多年来，导 师在学术和生活上都给我以精心的指导和多方面关怀。导师敏锐的学术思想、孜孜不 倦的求索精神、兢兢业业的工作作风以及对我工作的严格要求，都令学生我由衷地敬 佩，使我受益无穷。在此，我谨向导师致以衷心的感谢和崇高的敬意。 非常感谢理学院院长何晓雄教授，感谢他在实验上给予我的帮助和教导。何教授 风趣的言谈、为人处世的丰富经验以及开阔活跃的思路都使我非常受益。 非常感谢中科院固体物理所孙玉平研究员、赵邦传博士和昂然博士对我实验上的 巨大帮助。孙玉平老师的学识渊博、治学严谨和工作认真，使我受益匪浅。 感谢校结构中心的唐述培老师对我的实验上的照顾和关心 感谢理学院梁齐老师、尤玉老师以及学生刘炳龙同学对我的帮助。 感谢合肥工业大学材料科学与工程学院的各位给予我帮助的老师，尤其是实验室 的郑玉春老师、王学伦老师、程娟文老师、舒霞老师、夏永红老师、刘玉老师、胡青 卓老师、张强老师等在实验方面给予的无私帮助。 感谢同窗好友祁俊路、王凯、张胡海、冯书争和殷卫海等，以及师弟赵之明和顾 金宝在我学习和生活当中的帮助，感谢他们与我一起渡过的快乐时光。 最后感谢我的家人在生活上给予我无私的帮助和关怀，在学习上给予我无尽的鼓 励，他们是我完成学业的巨大动力，我爱他们。 李冠欣 2 0 0 6 年5 月于合肥 第一章巨磁电阻效应及相关材料的研究进展 上世纪末以来，随着信息技术的高速发展展现在人们面前的是一个丰富 多彩的多媒体世界。信息高速公路及全球网络系统的建立，使得信息传递更加 方便、快捷。而信息产业化进程的不断加快，使得对信息存储的存取、记录和 处理方面都提出了更高的要求。随着半导技术和集成工艺的突飞猛进的发展， 信息存储和信息处理需要高密度记录和快速读写材料，这促使材料物理学家不 断地去发掘和探索新型功能材料来满足这种需要。人们通过对固体材料中电子 输运性质的研究，发现磁电阻效应可以广泛地应用于计算机硬盘读磁头、磁传 感器、磁探测器、磁开关、磁记录以及磁电子学等方面。 1 9 8 8 年，法国的f e r t l lj 在研究f e c r 磁性超晶格薄膜的电子输运性质时发 现了高达5 0 的磁电阻效应。这一发现，引起了许多国家科学家的关注。随后 人们在不同的金属多层膜中都发现了这种效应【2 l 。人们通常将在磁性金属多层 膜中发现的磁电阻效应称为巨磁电阻效应( g i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c ee f f e c t ， g m r ) 。通常认为金属多层膜中的巨磁电阻效应起源于自旋相关的界面散射1 4 1 。 这种g m r 效应现在已经被世界各大硬盘厂商广泛应用在硬盘的读写磁头上。 在多层膜巨磁电阻研究的启发与促进下，1 9 9 2 年b e r k o w i t z 5 】与x i a o 6 】等人分别 独立地在铁磁性金属镶嵌在非磁性金属介质中形成的颗粒膜中也发现了类似的 巨磁电阻效应。1 9 9 3 年，德国西门子公司的v o nh e l m o l t 等人【7 】在钙钦矿结构 的l a b a m n 一0 薄膜中发现在室温下其磁电阻效应超过了6 0 。随后美国i b m 公司的j i n 等人悼1 发现在l a a l 0 3 ( 1 0 0 ) 基片上生长的l a c a m n o 外延膜在7 7 k 负磁电阻效应可达1 2 7 0 0 。由于钙钛矿型锰氧化物材料中具有更大的巨磁电 阻效应，通常又被称为超大磁电阻效应( c o l o s s a lm a g n e t o r e s i s t a n c ee f f e c t ， c m r ) ，而且包含的物理内容也十分丰富，因此该体系中有关磁电阻性质及相 应的一系列物性方面的研究备受科技工作者的关注。但迄今为止，有关其磁电 阻效应产生的物理本质尚未完全清楚，所以这是一个既具有重大应用前景又涉 及重要的基本物理原理的问题，具有重要的研究价值。 1 2 磁致电阻效应 材料的电阻率p 在外加磁场h 的作用下发生变化的现象称为磁致电阻效应 ( m a g n e t o r e s i s t a n c ee f f e c t ) ( 磁电阻) ，缩写为m r 。在磁场中这个电阻率的变化 部分可以写成4p = p ( h ) - p ( o ) ，p ( h ) 和p ( o ) 分别表示材料在零磁场和磁场h 中的电阻率。其变化大小可定量的用公式( 1 1 ) 表示： m r ：一p ( h ) - p ( o ) 1 0 0 ：a p 1 0 0 ( 1 1 ) p ( o ) p 其中p 可以是p ( h ) 和p ( o ) 。对于一般的磁性材料，其m r 只有l 2 ， 通常是微不足道的。 根据磁场导致电阻率的增加或减少，磁致电阻效应分别称为正或负磁电阻 效应。然而，在很多材料中，磁电阻效应的大小不仅仅依赖于外加磁场，还与 外加电流和磁场的夹角有关。据此，磁电阻效应可分为：径向磁电阻效应 a p h = p h ( h ) - p ( 0 ) ，对应于磁场平行于电流；横向磁电阻效应a p 。= a p 。( 功一 a p 。( 0 ) ，对应于磁场垂直于电流方向。 1 2 1 正常磁电阻效应 正常磁电阻效应( o m r ) 1 9 j 是普遍存在于通常金属、半导体和合金中的磁电 阻现象，它来源于外加磁场对载流予的洛仑兹力。该力使传导电子的运动在空 间发生偏离或做螺旋运动，从而使电阻升高，因而此类材料表现为正的磁电阻 效应。在通常金属、合金、半导体中，外加磁场对电子态和电子结构的影响较 小，因为磁场能只有k e l v i n 的数量级，远比电子能量( 电子伏量级) 小得多，因 而外加磁场对传导电子的散射导致材料纵向电阻率的变化是很小的，一般人们 感兴趣的是横向电阻( 即h a l l 电阻) 的变化，这是因为载流子在磁场和定向电场 的作用下，会受到横向l o r e n t z 力的作用而偏离定向运动，从而导致总电流减 小。材料电阻增加。一般金属、合金和半导体中的横向磁电阻是： a p p o = ( p f h ) 一p ( o j ) p ( 0 j = 卜c ，) 2 0 ( 1 2 ) 其中uc 为电子在磁场中的回旋运动频率。金属的磁电阻效应是很小的， 例如c u 在室温及2 至3 t 的磁场中，a p p o 2 ，半导体的h a l l 电阻稍大一些。 当温度降低到k e l v i n 数量级和在足够强的磁场中，半导体异质结或超晶格磁电 阻会发生惊人的变化，h a l l 电阻变成不连续的台阶，也就是量子h a l l 效应。 1 2 2 备向异性磁电阻效应 在铁磁性金属f e ，c o 及其台金如f e n i 中，可以观察到明显的各向异性磁 致电阻效应，而且a p - 总是正的。p ，总是负的，a p u a m ，表现出明显的各 向异性，因此称为各向异性磁电阻效应( a m r ) 【1 0 。在适当大的磁场下它们都趋 于饱和。由于a m r 效应是由于铁磁性磁畴在外磁场的作用下各向异性运动造 成的，因此a m r 效应强烈地依赖于自发磁化方向。实际上，a m r 效应与技术 磁化相对应，即从退磁状态到趋于磁性饱和的过程中电阻发生变化的现象。因 此即使在零场下其电阻率也与其历史有关。因而a m r 通常表示为： z j p a m r 一 p 一m ，或a p a m r i p a 。c ( 卜3 ) 其中p a 。= ( 肋+ 2 p - ) 3 。这里的肼和m 是外推到h = 0 时的电阻率值。 对于f e 和c o 来说，在5 k 温度下，a m r 近似为1 ，而坡莫合金中可以达到 l5 。坡莫台金的饱和磁场h s 特别小，约为( 1 0 4 4 n ) a r r t ，加上其a p a m r = o 5 i m c m 以及室温下a p a m r 风，。= 2 ，目前正被广泛的应用 1 1 】。 1 3 巨磁电阻材料的研究进展 1 3 1 金属多层膜的巨磁电阻效应 1 9 8 8 年，m n b a i b i c h 等人h2 1 在研究f e c r 金属超晶格多层薄膜的电子输 运性质时发现了巨磁电阻效应，从而揭开了巨磁电阻效应研究的序幕。金属多 层膜通常分别由两种不同组分的铁磁性和非铁磁性的金属( 过渡金属) 交替生长 形成。铁磁性( a ) 金属一般为3 d 过渡族金属铁磁性元素如f e 、c o 、n i 及由这 些元素构成的合金，非铁磁性( b ) 金属一般为c u 、c r 和a g 、a u 等贵金属。金 属多层膜是采用人工镀膜的方法，将铁磁性( a ) 和非铁磁性( b ) 金属膜交叠制成 的周期性膜。铁磁性a 和非铁磁性b 交互积层，形成金属超晶格。目前，在 f e c r 体系中，其最大磁电阻比( p ( h ) 一p ( 0 ) ) p ( h ) 为a p p ( h ) 1 5 0 ( 4 2k ) 和a p p ( h ) 3 0 ( 室温) 。在c o c u 体系中a p p ( h ) l l s ( 4 2k ) 和 p ( u ) 6 5 ( 室温) 。 在具有g m r 效应的多层膜系统中存在着g m r 数值随非磁性层厚度的变化 而周期性震荡的现象【13 ，”】，这种现象已成为磁性金属多层膜系统g m r 效应的 主要特征。不仅如此，随着非磁性层厚度的变化，多层膜中磁层间的耦合状态 也出现从铁磁到反铁磁的振荡，对应于g m r 峰值处，为反铁磁层间耦合。其 机理可以定性采用以m o t t i i5 】的铁磁金属电导理论为基础的模型来解释，如图 1 1 所示： ，j l ， r oi n u r l ( 喜) ：b ( b ) i 图卜1 不同自旋的导带电子在磁性多层膜中g m r 产生的简明物理图及对应 的电阻示意图( 右) 。( a ) 相邻铁磁层的磁化方向反平行，处于高电阻态：( b ) 层间平行f m 耦合，处于低电阻态 在铁磁金属中，导电的s 电子要受到磁性原子磁矩的散射作用( 即与局域 的d 电子作用) ，散射的凡率取决于导电的s 电子的自旋与固体中磁性原予磁矩 的相对取向。自旋方向和磁矩方向一致的电子受到的散射作用很弱，而相反的 电子受到很强烈的散射作用。在金属材料中电阻取决于传导电子受到散射作用 的大小。 具有g m r 效应的多层膜系统必须满足一下几个条件：l 、每一单层的厚度 远小于传导电子的平均自由程；2 、相邻磁层之间磁矩的相对取向能够在外加磁 场下发生改变，即体系的磁化状态在外加磁场下必须发生改变：3 、自旋取向不 同的两种电子( 向上和向下) 在磁性原子上所受的散射作用差别很大。目前解释 层间交换耦合的来源以及层间耦合的大小随非磁性层厚度变化的关系的理论模 型主要有：1 、类r k k y 理论【16 j ；2 、a n d e r s o n 模型( s d 杂化) 【l7 1 ：3 、空穴束 缚模型( 有自旋相关势台阶的紧束缚近似) 【m j ：4 、自由电子模型【1 9 】；5 、量子干 涉模型 2 0 l 。 1 3 2 自旋阀效应 人们发现在相邻两铁磁层反平行排列的多层膜中，g m r 增大了，为了实现 两铁磁层的磁化取向夹角可调，人们开始采用不同矫顽力的铁磁多层膜。例如 b d i e n ym a t 2 1 】在研究多层膜三明治结构中的磁电阻效应时，发现一个有趣的 磁电阻现象。 图卜2 具有s i 2 x ( 1 m n m n i f e 6 2 n m c u 2 2 n m n i f e 4 n m f e m n 7 n m 仃西n m ) 结构样晶的磁电阻m r 在+ 5 0o e 到- 5 0o e 之间的响应。 如图1 2 所示是在s i 2 x ( t a 5 n m n i f e 6 2 n m c u 2 2 n m n i f e 4 n m f e m n 7 n m t a 5 n m ) 多层膜试样中的室温磁电阻与磁场关系曲线。在磁电阻与磁场关系区线 上可以看到，m r 效应非常迅速地从0 增加到4 ，这种平行四边形的转变关系 非常类似于一个开关效应，因此d i e n y 等人将这种效应称为自旋阀( s v ) 效应 ( s p i n v a l u ee f f e c t ) 。这种磁场极端灵敏效应可以在f l u x - s e n s i n g 器件以及高密 度的磁记录读出磁头方面有很大的应用前景，如图1 3 是一种典型的s v 结构。 图1 3 一种典型的s v 结构 a f m 层( p i n n i n gl a y e 0 f m 层( p i m i n gl a i r ) 非磁层 f m 层( f r e et a y e r ) 阻挡层 自旋阀效应的发现的意义在于：铁磁层间没有或仅有非常小的交换耦合， 这样较小的磁场就能使未被钉扎的软磁层或矫顽力的铁磁层的磁矩转动，造成 系统的电阻变化，从而使其磁电阻的灵敏度很高，在高密度的磁记录读出磁头 方面有着极大的应用前景。 1 3 3 颗粒膜的巨磁电阻效应 颗粒膜是将微颗粒镶嵌在互不固溶的薄膜中所形成的复合薄膜，微颗粒为 f e 、c o 等铁磁性金属元素及其合金，大小在几个纳米量级。当微颗粒尺寸与电 子平均自由程相当时，g m r 最显著。颗粒膜具有颗粒和薄膜双重特性及其交互 作用效应【22 1 ，一般是采用共蒸发、共溅射、离子注入或化学工艺制备而成。实 验室中常采用磁控溅射、离子束溅射等方法，所用的靶材为所需组分的复合靶。 与多层膜类似，颗粒膜中巨磁电阻效应与自旋相关的散射有关，并以界面 散射为主。实验与理论表明，电子在纳米颗粒膜中输运时，将受到磁性颗粒与 自旋相关的散射，该散射源于磁性颗粒的体散射以及磁性颗粒的表面( 界面) 散射，所以g m r 主要来源于界面散射，它与颗粒直径成反比，或者说与颗粒 的比表面积成正比关系。如图1 4 所示通常颗粒膜中磁性颗粒的磁矩在空间无 序分布，当外磁场为零时，由于磁畴之间取向无序，自旋向上或向下的传导电 子在运动过程中总能碰到磁化方向与其自旋取向相反的磁畴，受到的散射较大， 处于高阻态。外加磁场后，颗粒的磁矩趋向于沿磁场方向排列，其中一种自旋 的电子受到的散射较小，处于低阻态，即产生负的巨磁电阻效应。由于颗粒在 膜中是无规则分布的，颗粒膜内的传导电子大都将穿过颗粒进行输运，类似于 多层膜中电流垂直于多层膜的情况，因此颗粒膜中巨磁电阻效应通常较大。除 颗粒尺寸外，g m r 还与颗粒形态有关，对合金进行退火处理可以促使进一步相 分离，从而影响g m r 。 三一 1 3 4 磁隧道结巨磁电阻效应 图1 - 4 颗粒膜的g m r 原理 在金属膜之间夹有数纳米厚的绝缘层，构成三明治结构，如图1 5 所示。 在两金属层之间施加低电压，电子不是越过能垒，而是在能垒中穿过，产生隧 道贯穿现象1 2 ”。 图1 5 铁磁层绝缘层，铁磁层机构的磁隧道结 f m l f m 早在7 0 年代，t e d r o w 和m e s e r v e y 利用“超导体非磁绝缘体铁磁金属” 隧道结验证了隧穿电流是自旋极化的【2 4 1 。随后，s l o n c z e w s k i t 2 5 】提出以铁磁金属 取代超导体，当两铁磁层磁化方向平行及反平行时，此f m i f m 隧道结将具有 不同的电阻值，并且两铁磁层的磁化方向是由外场改变的。很快，j u l l i e r e 【2 6 】 在f e o e c o 隧道结中观察到了这种现