（凝聚态物理专业论文）锰、钴氧化物薄膜的物性及铜氧化物电荷补偿效应的研究.pdf

中凰科学技术大学博士学位论文 论文摘赏 论文摘要 本论文首先研究了钙钛矿结构巨磁阻氧化物薄膜的输运和磁性质，以及他们 受应力、退火等条件的影响；然后研究了高温氧化物超导体中的掺杂和电荷补偿 效应，取得了一些有意义的结果。 第一章综述了自旋电子学的最新进展，特别是钙钛矿锰氧化物的一些基本性 质包括晶体结构、输运性质、磁性质、有序相和其他一些物理性质等。另外还 简要介绍了高温氧化物超导体中的一些基本性质。 第二章我们对不同衬底上的l c m o 薄膜的磁输运性质进行了研究。不同类 型的应力会影响薄膜的输运和磁阻行为。研究发现拉伸的应力会导致薄膜电阻率 和磁阻的增大，而电阻峰值的位置则向低温漂移。压应力导致相反的结果。不同 类型的应力会在薄膜中导致不同的微结构。混合取向的畴和薄膜的不均匀会强烈 地影响薄膜的输运性质、磁阻和磁化强度。这些因素导致在l a a l 0 3 衬底上的 l a o5 c a o5 m n 0 3 薄膜中观察到了磁转变的展宽以及反常的电阻行为。对于 l a o5 c a o5 m n 0 3 中电荷有序的压制主要是磁场的作用而不是应力，这是由电荷有序 的机制决定的。当电荷有序完全被压制之后，应力在电输运和磁阻上的作用就体 现出来了。 第三章我们研究了不同衬底上的l c m o 薄膜在不同温度下的r a m a n 光谱。 详细讨论了温度、掺杂和应力对r r m a n 光谱影响。随着温度的下降，r a m a n 光谱 的变化与体系从无序到有序的转变相关，比如：顺磁到铁磁以及电荷有序。由薄 膜和衬底的不匹配造成的应力强烈地影响r a m a n 光谱。由于s r t i 0 3 衬底上的 l a o6 7 c a o3 3 m n 0 3 薄膜受到较大的拉伸应力，所以可以很明显地观察到由氧空位的 无序引起的振动模式。然而在其他的薄膜中却观察不到这个模式。除了l a a l 0 3 衬底上的l a o 6 7 c a o 3 3 m n 0 3 阱外，我们可以在所有薄膜的6 9 0c m l 处观察到一个很 中国科学技术大学博士学位论文 论文摘要 强的没有指标的峰，这个峰在大块样品没有被观察到。这说明，这个模式是和应 力相关的。矿 第四章研究了退火对于l s c o 薄膜磁性和输运性质的影响。样品是通过在不 同温度下将非晶的薄膜退火而得到的。随着退火温度的升高，薄膜的电阻率减小， 居里温度和负的磁阻都增大。这是由于在晶粒内部和晶粒间的铁磁耦台增强，自 旋相关和无序造成的散射减弱造成的。另外，电导对氧空位非常敏感。在6 0 0 和 1 0 0 0 退火的薄膜样品的热电势表现出了不同的行为。在1 0 0 0 。c 退火的样品的 热电势与温度成线性关系，是典型金属性。而6 0 0 制备的薄膜的热电势在1 5 0k 突然地增大。这可能是由于三价c o 的自旋态由中自旋态变成了低自旋态，另外非 晶的基质和缺少空穴的区域也对热电势做出贡献。 第五章在这一章中我们测量t ( l a l 。l n 。) 0 5 s 。o5 c o o s 样品的磁阻和交流磁化 率。p r 和n d 掺杂导致居里温度t c 的下降。随着掺杂含量的增大，团簇冻结的温 度向高温移动。由于热激发导致的c o 离子的自旋态的转变，使得p r 和n d 掺杂 为0 , 2 的样品在1t 磁场下，9 0k 的时候磁阻有一个突然的减小。当磁场增大到7 t 时，这个温度变为7 0k ，这是由于磁场导致的自旋态的转变。p r 和n d 的掺杂 都会增大样品的磁阻，而且n d 掺杂的样品在低场下的磁阻效应更明显。这些都 说明，离子半径的不同以及a 位离子磁矩和c 0 3 十c 0 4 + 子晶格的耦合所引入的可能 的附加反铁磁耦合都会对体系的磁和输运性质有很大的影响。 第六章在这一章中我们研究了r u 掺杂对l a l 8 5 s t 0 1 5 c u 0 4 ( l s c o ) 结构和输运 的影响。我们发现r u 掺杂有两个作用。r u 掺杂在这个体系里引入了无序，由于 无序引起的局域，使得体系出现了金属一绝缘体转变。另一个是由于高价r u 离子 替代了c u 离子而引起的空穴填充效应。而s r 含量的增加能够补偿由于高价r u 离子的掺入所引起的价态不平衡。在这个体系中我们观察到了一个普适的t c 与掺 杂含量x 的关系，这表明在这个体系中是刚性能带模型起作用。t c 与态密度的形 貌相关，比如一个v a nh o v e 奇点。 中周科学技术大学博士学位论文论文摘要 a b s t r a c to fd i s s e r t a t i o n i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，w e f i r s ts t u d i e dt h e t r a n s p o r t a n dm a g n e t i cp r o p e r t i e so f c o l o s s a l m a g n e t o r e s i s t i v e o x i d ef i l m sw i t h p e r o v s k i t es t r u c t u r e ，a n d t h ee f f e c t so f a n n e a l i n ga n ds t r e s s t h e n ，w es t u d i e dt h ee f f e c t so fd o p i n ga n dc a r r i e rc o n c e n t r a t i o n c o m p e n s a t i o n i nh i g h t cs u p e r c o n d u c t o r s o m ei m p o r t a n tr e s u l t sw e r eo b t a i n e d t h er e c e n td e v e l o p m e n t so fs p i n t r o n i cw e r es i m p l yr e v i e w e di nc h a p 1 w el a i d a ne m p h a s i so nt h ei n t r o d u c t i o no ff u n d a m e n t a lp r o p e r t i e so fp e r o v s k i t em a n g a n i t e s s u c ha sl a t t i c es t r u c t u r e ，t r a n s p o r t ，m a g n e t i z a t i o n ，o r d e r i n gp h a s ea n do t h e rp h y s i c a l p r o p e r t i e se t c w ea l s oi n t r o d u c e d t h eb a s i c p r o p e r t i e so fh i 曲- t cs u p e r c o n d u c t o r s i nc h a p 2 w es t u d i e dt h ee f f e c to ft h es t r e s so nm a g n e t o t r a n s p o r tp r o p e r t i e so f l a l x c a 。m n 0 3 ( x = 03 3 ，o 5 ) t h i nf i l m so n d i f f e r e n ts u b s t r a t e s t h es t r e s sw i t hd i f f e r e n t s i g ni n f l u e n c e st h et r a n s p o r tp r o p e r t ya n dm a g n e t o r e s i s t a n c e t h e t e n s i l es t r e s si n d u c e s a ni n c r e a s eo fr e s i s t i v i t ya n dm a g n e t o r e s i s t a n c e ，w h i l et h er e s i s t i v i t yp e a kt e m p e r a t u r e d e c r e a s e s c o m p r e s s i v es t r e s s l e a d st oac o n t r a r yb e h a v i o lt h es t r e s sw i t hd i f f e r e n t s i g nc a ni n d u c ed i f f e r e n tm i c r o s t m c t u r ei nf i l m s t h em i x e d o r i e n t a t i o nd o m a i n sa n d i n h o m o g e n e i t i e si nf i l m ss t r o n g l yi n f l u e n c et h et r a n s p o r tp r o p e r t i e s ，m a g n e t o r e s i s t a n c e a n dm a g n e t i z a t i o n ，w h i c hi n d u c e sab r o a d e n i n go fm a g n e t i ct r a n s i t i o na n da n o m a l o u s r e s i s t i v i t y i n l a 05 c a o5 m n 0 3 f i l m g r o w n o n l a a l 0 3 t h es u p p r e s s i o n o f c h a r g e - o r d e r i n gs t a t ei nl a os e a 05 m n 0 3f i l m s i sm a i n l yd o m i n a t e db ym a g n e t i cf i e l d r a t h e rt h a nt h es t r e s sd u et ot h eo r i g i no f c h a r g e - o r d e r i n gs t a t e t h ee f f e c to f s t r e s so n c h a r g et r a n s p o r ta n dm a g n e t o r e s i s t a n c es h o w su po b v i o u s l y i np a r a m a g n e t i cs t a t ew h e n t h ec h a r g e o r d e r i n gs t a t ei sc o m p l e t e l ys u p p r e s s e d 中国科学技术大学博士学位论文 论文摘要 r a m a n s p e c t r ao f l c m o f i l m sg r o w no n l a o ( o o i ) ，s t o ( 0 0 1 ) ，a n dm g o ( 0 0 1 ) s u b s t r a t e sw e r es t u d i e da td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e si nc h a p 3 t h ee f f e c to f t e m p e r a t u r e ， d o p i n gl e v e la n ds t r e s s o nr a m a ns p e c t r aa r ed i s c u s s e di nd e t a i l w i t h d e c r e a s i n g t e m p e r a t u r e ，t h ec h a n g e so fr a m a ns p e c t r aa r ec o r r e l a t e dw i t ht h ed i s o r d e r o r d e r t r a n s i t i o n ，s u c ha s ：p a r a m a g n e t i s mt of e r r o m a g n e t i s m ，a n dc h a r g e o r d e r i n g t h es t r e s s i n d u c e db yl a t t i c e s u b s t r a t em i s m a t c ha f f e c t st h er a m a ns p e c t r as t r o n g l y t h em o d e i n d u c e db yd i s o r d e ro f o x y g e nd e f e c t si sa p p a r e n t l y o b s e r v e di nl a 0 6 7 c a o3 3 m n 0 3f i l m o ns t od u et ot h el a r g e rt e n s i l es t r e s s ，w h i l et h i sm o d ec a nn o tb es e e ni nt h er a m a n s p e c t r af o rt h ef i l m so nl a o a n dm g o a s t r o n gu n s i g n e dm o d ea ta b o u t6 9 0c m 。1 i s o b s e r v e di na l lf i l m se x c e p tf o rl a 06 7 c a 03 3 m n 0 3f i l mo nl a o ，w h i c hi sn o to b s e r v e d i nb u l ks a m p l ee a s i l y i ts u g g e s t st h a tt h em o d ei sc l o s e l yr e l a t e dt ot h es t r e s s i n c h a p 4 ，e f f e c t o f a n n e a l i n g o n m a g n e t i c a n d t r a n s p o r tp r o p e r t i e s i n l a o5 s r 0 5 c 0 0 3 5 t h i nf i l m si ss t u d i e d t h e s a m p l e s w e r e p r e p a r e db ya n n e a l i n g a m o r p h o u sf i l ma td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s w i t hi n c r e a s ei na n n e a l i n gt e m p e r a t u r e ，t h e r e s i s t i v i t yd e c r e a s e s ，a n dc u r i et e m p e r a t u r e ( t c ) a n dn e g a t i v em a n g e t o r e s i s t a n c e ( m r ) i n c r e a s e ，t h e s er e s u l t sa r i s ef r o ma ni n c r e a s eo ff e r r o m a g n e t i cc o u p l i n gi ng r a i na n d b e t w e e ng r a i n s ，a n dar e d u c t i o no fs p i n d e p e n d e n ta n dd i s o r d e rs c a t t e r i n g i na d d i t i o n ， t h ec o n d u c t i o ni sv e r ys e n s i t i v et oo x y g e nd e f i c i e n c y t h et h e r m o p o w e r ( t e p ) d a t af o r t h ef i l m so b t a i n e db ya n n e a l i n ga t6 0 0a n d10 0 0 s h o w e dt o t a l l yd i f f e r e n tb e h a v i o r s t h ef i l mo b t a i n e da t10 0 0 s h o w s t e m p e r a t u r e l i n e a rd e p e n d e n c e ，a n d i st y p i c a lo fa m e t a l w h i l et h et e po ft h ef i l mo b t a i n e da t6 0 0 i n c r e a s e ss h a r p l ya ta b o u t 15 0k i t m a y a r i s ef r o mt r a n s f o r m a t i o no fi n t e r m e d i a t e - s p i nc o ( i 1 1 ) t ol o w - s p i nc o ( i i i ) a n dt h e c o n t r i b u t i o nf r o mt h ea m o r p h o u sa n dh o l e p o o rm a t r i x i nc h a p 5 ，t h ea cs u s c e p t i b i l i t ya n dm a g n e t o r e s i s t a n c eo f ( l a l x l n x ) o5 s r 0s c 0 0 3 h a v eb e e ns t u d i e d t h es u b s t i t u t i o no fn do rp rf o rl ar e s u l t si nt h ed e c r e a s eo fc u r i e t e m p e r a t u r et c f o ra l ls a m p l e s ，t h ec l u s t e rf r e e z i n gt e m p e r a t u r et f s h i f t st o h i g h e r 中阿科学技术大学博上学位论业论文摘要 t e m p e r a t u r e w i t hi n c r e a s i n gd o p i n gc o n c e n t r a t i o nx f o r ( l a o 8 n d o2 ) 0s s r o5 c 0 0 3a n d ( l a 08 p r o2 ) 0s s r 0s c 0 0 3 ，t h e r e i sa s h a r p d e c r e a s eo f t h e l o w f i e l d ( 1t ) m a g n e t o r e s i s t a n c ea ta r o u n d9 0k w i t hd e c r e a s i n gt e m p e r a t u r e ，w h i c hi s s u p p o s e dt o b ec a u s e db yt h e t h e r m a l l y i n d u c e dh i g h s p i ns t a t eo r i n t e r m e d i a t e - s p i n s t a t eo f t r i v a l e n ta n dq u a d r i v a l e n tc oi o n st ol o w - - s p i ns t a t et r a n s i t i o n s t h et e m p e r a t u r eo ft h i s s h a r pd e c r e a s es h i f t st o7 0k a th i g hm a g n e t i cf i l e d ( 7t ) ，w h i c ha l s oa r i s e sf r o mt h e s p i n s t a t e t r a n s i t i o ni n d u c e db ym a g n e t i cf i e l d b o t ht h e h i g h f i e l d a n dl o w f i e l d m a g n e t o r e s i s t a n c e a r e s i g n i f i c a n t l y e n h a n c e db yb o t hp ra n dn dd o p i n ga n dt h e i n c r e a s ea m p l i t u d ef o rn d d o p i n g i so b v i o u s l ym o r et h a nt h a tf o rp rd o p i n ga tl o w f i e l d t h e s er e s u l t ss u g g e s tt h a tb o t ht h ea v e r a g ea s i t ei o n i cr a d i u s ( t o l e r a n c ef a c t o rt ) a n d t h e p o s s i b l e e x t r aa n t i f e r r o m a g n e t i c c o u p l i n g b e t w e e nt h e d o p a n t s a n dc 0 3 + c 0 4 + s u b l a t t i c ea r ei m p o r t a n tf a c t o r si nd e t e r m i n i n gt h em a g n e t i ca n dt r a n s p o r tp r o p e r t i e so f t h e s ec o b a l to x j d e s i nc h a p 6 ，t h ei n v e s t i g a t i o n so f t h es t r u c t u r ea n dt r a n s p o r tp r o p e r t i e so f r ud o p e d l a l8 5 s r 0l5 c u 0 4 ( l s c o ) h a db e e nc a r r i e do u t i ti sf o u n dt h a tr us u b s t i t u t i o nf o rc u h a st w oe f f e c t so n ei st h a tr ud o p i n gi n t r o d u c e sd i s o r d e ri n t ot h es y s t e m ，w h i c h c a u s e sam e t a l i n s u l a t o rt r a n s i t i o nw i t hh i g hl o c a l i z a t i o n t h eo t h e ri sh o l e 。f i l l i n ge f f e c t d u et ot h eh i g h e rv a l e n c eo fr ui o nt h a nc ui o n i n c r e a s eo fs t r o n t i u mc o n t e n tc o u l d c o m p e n s a t et h e i m b a l a n c eo fv a l e n c ec a u s e db yd o p i n gh i g hv a l e n c er ui o n a u n i v e r s a lc u r v ef o rt cv st h en u m b e ro fh o l e p e r c us i t ei so b s e r v e df o r l a 2 一y s r y c u i x r u x 0 4s y s t e m ，i n d i c a t i n gt h a tar i g i db a n d m o d e lh o l d sa n dt cc o r r e l a t e s w i t hf e a t u r e si nd e n s i t yo f s t a t e ( d o s ) ，s u c ha sa v a nh o v e s i n g u l a r i t y 致谢 本论文是在导师陈仙辉教授悉心指导下完成的，在我整个研究生学习阶段， 陈仙辉教授给予我学业上孜孜不倦的教诲和生活上无微不至的关怀，使我能顺利 完成博士论文的工作。导师富于创新的思想、严谨的治学态度和对科研事业勤台 钻研的精神都将使学生受益终生。在此谨向导师陈仙辉教授表示最诚挚的敬意和 由衷的感谤 。 美国休斯敦大学超导中心的陈充林教授实验课题组为作者提供了高质量的 薄膜，并给与实验方面的帮助和许多有益的讨论，在此向他们表示衷心的感谢。 在完成本论文的过程中，得到了曹烈兆教授和阮可青副教授的诸多指导和帮 助，谨向他们深表谢意。汪成友高工、王克勤高工、杨宏顺副教授、吴柏枚教授 对作者给予了大力支持和帮助，在此向他们表示衷心的感谢。 感谢周贵恩教授、许存义教授、李晓光教授、田明亮教授、石磊教授、李j 、l 庆教授、陈琳副研究员、贾云波老师、左健老师，他们曾给予作者有益的指导， 进行过一些富有启发的讨论及提供样品测试方便。 本论文的完成还得到了许多同学的帮助，感谢李世燕、樊荣、莫维勤、孙拮、 桂宙、罗习刚、张海涛、王翠焕、李璐、李平辉、陈涛、宋海彬、王国玉、曹强、 余曼、乐松、吴涛、卢曰瑞、张岩、冯卓、黄磊、刘国柱等同学的合作和讨论。 感谢低温车间的全体同志付出的劳动。 感谢所有给予作者关心和帮助的老师、同学和朋友们。 最后感谢我的家人和朋友，感谢他们许多年来的关心和支持。谨以本文献给 他们。 熊奕敏 中国科学技术大学物理系 二零零四年六月 中困科学拉术大学博士学位论文第一章 第一章引言 处在这日益专业化的时代之中得以认识到基本翰理概念可能应用于一 大批看起来五花j k i - 的问题，是令人欣慰的。在理解某一区域所获得的进展 常常可以应用于其它领域，这不仅对于材料科学的众多领域是确实的，对广 义而言的物质结构亦复如此。作为阐述的例证，为理解磁性、超流性与超导 电性所发展的概念也被推广和应用于多样的领域如核物质、弱与电磁相互 作用、高能物理中的夸克结构与众多的液晶相。 1 1 凝聚态物理简介 - - - - - - - - - - - - - - - j o h nb a r d e e n 凝聚态物理学是研究固体和液体的基础科学，它继承了固体物理学的传统内 容，并进一步扩大研究对象，更加深入到各种多体问题的领域，逐步形成了新的 理论体系。凝聚态物理的发展极大地推动了科学技术的进步和社会的发展。凝聚 态物理学的内容沟通量子力学描述的微观世界和复杂的宏观凝聚态物质，这并非 轻而易举之事，其中存在富于魅力的智力挑战，也收获了未曾预期的实际报偿。 诸如近年来发现的高温超导体、介观系统中的量子输运、光子晶体、c 6 0 分子与 固体、碳纳米管、巨磁电阻和超大磁电阻等。这些重要发现表明，在凝聚态物质 中蕴藏着尚有待于探索和发掘的巨大宝库。因而与复杂性为邻，探索复杂凝聚态 物质的物理学就自然地成为物理学另一发展前沿。在世纪交替之际，这一前沿特 别活跃，引入注目f “。 凝聚态物理所涉及的长度范围从几米到零点几纳米；涉及的时间范围从几年 到几飞秒：涉及的能量范围( 以绝对湿度来标志) 从几千开到纳开；涉及的粒子 数通常在1 0 2 7 1 0 2 1 ( 接近热力学极限) 。因此，凝聚态物理处理的实际上是一个 无穷多自由度的系统，对物理学的基本概念和图像的发展起着特有的作用。无论 是当今还是未来，凝聚态物理都是材料科学和电子学器件的学科基础，是发展技 术的重要源泉和基础，也是化学、地质学、生命科学、工程科学等重要学科的基 中国科学技术大学博士学位论文 第一章 础，它与这些学科之间的交叉是当代最富于挑战和机遇的一类领域。 2 l 世纪之初，作为社会发展以及人类文明进步的重要科学技术基础，凝聚 态物理主要有以下一些需要解决和引起人们广泛兴趣的热点方向。它们分别是： 1 极细微尺度物质及相关技术的研究。 2 新型功能材料的发展及其科学技术的物理基础。 3 极端条件下的凝聚态物理学。 4 表面、界面物理和化学物理学。 5 交叉学科的凝聚态物质研究。 在丰富广博的凝聚态物理学领域内，近年来有两方面的研究吸引了人们的广 泛关注，特别是从2 0 世纪8 0 年代以来，得到了迅速的发展。它们分别为：自旋 电子学( s p i n t r o n i c ) 和高温超导物理。下面我们将分别介绍自旋电子学和高温超 导电性。关于凝聚态物理学发展以及凝聚态物理学方面的教科书与专著请见参考 文献。 i 2 自旋电子学简介 我们知道电子具有两个基本的自然属性，一是电荷，另一个是自旋。也就是 说，电子既是电荷的载体，同时又是自旋的载体。或许电子最重要的特性就是它 可以承载电荷。采用电场力，以研究、控制和应用半导体中数目不等的电子和空 穴( 即多数载流子和少数载流子) 的输运为主要内容的微电子学在最近几十年内 推动了电子工业的革命性发展【1 】。众所周知，在这里自旋状态不予考虑，电子的 输运过程仅仅是利用它的荷电性由电场来控制。 电子的另一个基本的自然属性就是自旋，如图1 1 ，自旋电子学最主要的内 容就是研究和探索电子的自旋在微电子和光电子中的应用【2 】。不象电荷，电子自 旋由于电子沿一个轴旋转因而指向一个特定的方向。 图1 1 球体上的自旋一个电子白旋可以用个箭头来表 示，它的量子态可以用球面上有一个箭头指向它的点来表 示。沿着某个方向测量自旋( 比如说沿着坐标轴的方向) ， 2 中网科事技术人学博士学位论文 第一章 总是发现l 7 旋平行或者反平行于测量的方向。量子态决定了出现这两种结果的可能性。 1 2 1 自旋电子学的研究进展 自旋电子学就是一个多学科交叉的领域，它的中心内容就是控制固体体系中 的自旋。对自旋的控制包括两个方面，一个是在多粒子体系中控制自旋的数目和 它们的相位；另一个是单个或者少数自旋体系中对自旋的操作。自旋电子学就是 要了解粒子自旋和它的固态环境之间的相互作用，通过已经获得的知识来制造有 应用价值的器件。自旋电子学的基础研究包括材料中的自旋输运，自旋动力学和 自旋驰豫。 通常自旋的极化意味着创造一个不平衡的自旋数目，也就是朝“上”和朝“下” 的电子数目不等，这可以通过几种办法得到。自旋方向是自旋电子学研究的个 基本的内容，主要是探测自旋态的改变。许多自旋电子学器件的目的就是最大地 提高自旋探测的敏感度，因为它们并不是探测自旋本身，而是探测自旋态的改变。 我们在一个标准器件上描绘基本的白旋电子学的图解，这个基本的器件就是 d a t t ad a s 自旋场效应晶体管( s f e t ) 3 1 ，如图1 2 所示。在一个通常的场效应晶 体管中，有一个漏极，一个源极，一个窄的沟道和一个用来控制电流的门电极。 图1 2d a t t a - d a s 自旋场效应晶体管( s f e t ) 的图解源极( 自旋注入器) 和漏极( 白旋 探测器) 是具有平行磁矩的铁磁金属或者半 导体。注入的自旋极化的电子具有波矢k ， 沿着准一维的沟道运动。这些准一维的沟道 通常是由平面方向垂直于n 方向的i n g a a s i n a i a s 异质结构成。自旋电子按照进动矢量n 进动，这个进动矢量来源于由沟道的结构和材料性质所决定的自旋一轨道耦合。进动矢量q 的人小可以由沟道顶部的门电压v c 来调节。如果漏极的电子自旋是指向一个初始的方向( 向 上) - - l l 女n ，如果进动周期要比电子运动的时间大很多，那么电流就会比较大。而如果自旋 反向( 向下) ，那么电流就会减小。 中国科学技术大学博士学位论文第一章 门电极可以控制电流流动( 开) 或者是不流动( 关) 。自旋晶体管也是一个通过 窄的沟道能够控制电荷电流的控制器。在d a t t a d a s 自旋场效应晶体管中源极和 漏极都是铁磁体，它们分别作为电子自旋的注入器和探测器。从源极注入自旋方 向平行于输运方向的电子。这些电子通过沟道，到达漏极，它们的自旋被探测到。 用简单的图像来说，如果电子的自旋方向与漏极内的自旋方向相同的话，那么电 子就能够进入漏极，这时漏极是打开的。否则电子就散射开，这时就是关闭的。 门电极的作用就是产生一个有效的磁场( 图l2 中的q 的方向) ，这个有效的磁 场受衬底材料中的自旋一轨道耦合、输运沟道的几何形状以及门电极的电势等因 素的影响。这个有效的磁场使得电子自旋进动。通过调节电压，人们可以影响电 子自旋的进动使它平行或者反平行于漏极处的自旋，从而有效地控制电流。 采用了t e d r o w 和m e s e r v e y 的关于“铁磁体绝缘体超导体”( f u s ) 和“铁 磁体绝缘体铁磁体( f i f ) 的隧道结隧穿电导的分析之后 4 。5 ，j u l l i 6 r e 6 1 描述了 一种模型用来表达如图1 3 中所示的两个分别具有平行( t t ) 和反平行的n j ) 磁矩的铁磁区域的电导的变化。在一个f i f 的磁性隧道结( m t j ) 中关联的隧 穿磁阻( t m r ) 被定义为： m ：竺：墨! i 二坠：血二血， ( 1 ) r ”r g 图1 4 铁磁体绝缘体铁磁体 ( f i f ) 隧道结中的电子隧穿示意图： ( a ) 平行和( b ) 反平行方向的、铁磁 金属内的具有d 态自旋分解密度关联 的磁矩，其自旋交换劈裂为。在两 个铁磁区域内的箭头是由多数自旋能 带决定的。虚线表示自旋守恒隧穿。 这里电导g 和电阻r = i g 用f 1 和f 2 的相对磁矩的方向来标记( 在很小的甚至 也就是1 0 g 的外场下，”和t l 的相对方向也会被改变) 。 在j u i r e 的模型中，假设了不变的隧穿矩阵元和电子隧穿没有自旋翻转， 公式( 1 ) 就变成： ，pp t m r ：_ 二二盟 1 一鼻足 4 ( 2 ) 一一 亩 中国科学技术大学博十学位论文 第一帝 这里极化矢量b = ( 帆n m ，) ( 埘+ ：) 是用自旋分裂态密度的项来表示的，a 锄和 a r ，。，分别表示f i 中多数自旋和少数自旋的态密度。因此公式( 1 ) 中的电导在公 式( 2 ) 中能够被表示为i 7 l ：g tr n m ， v 2 s 2 + n , ，a o 和g t j m ，a k ? + k ，m 柠。 ( a ) c u r r e n tf l o w( b ) c u r r e n tf l o w + - - - + 图1 5 巨磁阻结构的示意图：( a ) 电流平行 于界面( c l p ) ，( b ) 电流垂直于界n ( c p p ) 。 j u l l i e r e 的模型预言了自旋阀效应：器件的电阻可以通过改变f 1 和f 2 内的 磁化方向m ，和m ：来改变。这种方向性甚至能够在没有能源的情况下保持住。 自旋阀效应后来在表现出巨大磁阻( g m r ) 效应的多层膜结构中被发现【8 ，这 种多层结构能够应用于构建非易失性存储器 1 0 - 1 2 。g m r 结构通常是根据电流平 行( c i p ，c u r r e n ti np l a n e ) 或者是垂直( c p p ，c u r r e n tp e r p e n d i c u l a rt ot h ep l a n e ) 于 不同层之问的界面来分类的，如图1 5 所示。大多数的g m r 的应用器件是采用 c i p 的结构。室温下大的g m r 的实现邮h l ，使磁性纪录快速的从基础物理研究 转变为商业应用 i 5 1 。 许多现有的自旋电子学的应用器件【l6 j 是基于g m r 效应，室温下大的t m r 效应的发现旧1 重新唤起了人们研究磁性隧道结的兴趣，这些是现有的一些磁 性随机存储器的建造原型”2 0 1 。未来一代磁性读出头就是有望采用磁性隧道结 代替c i p 巨磁感应器件。半导体另一个令人满意的性质是在它与金属的混合物中 得到了特别大的室温磁阻，在4t e s l a 的磁场下可以达到7 5 0 0 0 0 1 2 l 】，这将能够 提高磁性读出探头的性能【2 22 引。在金j ；蚕半导体颗粒混合膜中也得到了类似大小 的磁阻【2 4 i 。 除了在与自旋极化输运过程相关的巨磁电阻效应，在自旋极化输运过程的另 个方面自旋驰豫以及由此而使非磁金属中出现自旋积聚和非平衡磁化的 研究在近年内也取得了进展。8 0 年代曾在康乃尔大学及加州伯克利大学工作的 j o h n s o n 首次成功地直接观察到了自旋极化的电子在非磁金属中的自旋驰豫时 间2 引。从超高密度读出磁头的制造，磁性随机存储器的研制，以及自旋场效应 晶体管和自旋计算机的研究都依赖与自旋电子学的发展，自旋电子学是多学科的 中国科学技术大学博士学位论文第一章 交叉学科，具有很强的应用背景，对计算机技术、电子学以及电子工业的发展具 有深远的影响。关于自旋电予学更详细的介绍可参阅文献 2 6 1 。本论文关于白旋 电子学的研究主要是针对钙钛矿结构的氧化物的巨磁阻效应及其相关物性。下面 一部分，我们将重点介绍磁电阻的来源以及各种巨磁阻材料。 1 2 2 磁致电阻效应 所谓磁致电阻效应，是指电阻率在外加磁场作用下所产生的变化。其变化 量或正或负，分别对应着正磁电阻和负磁电阻效应。在实际的金属中总是存在 一定的磁致电阻效应，而且其数值与行为不仅依赖于磁场大小，还与测量电流 与磁场方位有关，即不同的h 和j 的夹角，其磁致电阻的行为是不同的。按照 磁场与电流的相对位置的关系，通常划分为两种磁电阻效应：( i ) 径向磁电阻 效应，却= p ( h ) - p ( o ) ，对应于磁场平行于电流；( i i ) 横向磁电阻效应， 却i = p 上( h ) - p l ( 0 ) ，对应于磁场垂直于电流。按照磁阻的来源，则可分为正 常磁电阻( o m r ) 、各向异性磁电阻( a m r ) 和顺行磁电阻( p m r ) 。 1 正常磁电阻效应( o m r ) o m r 2 钉为普遍存在于所有金属中的磁致电阻效应，来源于磁场对电子的 洛伦兹力，如图1 6 所示。该力导致载流予运动发生偏转或产生螺旋运动，因 而使电阻升高。其特点是： ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) m r ：p ( h ) - p ( o ) o 。 ( 3 ) p ( o ) 各向异性，但n 肛 0 。 当磁场不高时，m r * b 2 。 6 图1 6 载流子在磁场中所受的偏转力 土生竖! 兰i 缕查兰堕圭堂丝堡塞 笙二童 2 铁磁金属的电阻率与磁电阻1 2 8 m 】 在铁磁性金属( 如f e ，c o ) 以及合金( 如f e n i 合金) 当中可以观察到明 显的磁致电阻效应。其来源包括正常磁电阻( o m r ) ，各向异性磁电阻( a m r ) 以及顺行磁电阻( p m r ) 。 铁磁金属的电阻率有三种来源： p ( 7 1 ) = p 。+ p “( 丁) + p o , ( t ) ( 4 ) p ”s 为剩余电阻率，来源于晶体不完整性对电子的散射，相应于t = 0 k 时的电 阻率。昂一为声子( 晶格振动) 对电子的散射，随着温度的上升而增大。 ln i 奠粕 i “吣 r。 。 钐 p 厂 旷 乞 t ( 轴 图1 7 n i 的电阻率温度曲线的分解图。 肌仞主要为自旋无序散射或自旋相关的散射所致，随着温度而变化。此外，p 。 中还包括了自发磁化所产生的内场肋慨引起的o m r 的贡献，及畴壁散射的贡 献口，其数值不大。以n i 为例，其p t 曲线图如图1 7 所示，其中将三个部 分的来源分解画出。 铁磁余属总磁电阻的来源有二个：1 ) 磁场直接引起的o m r ；2 ) 磁场使 磁化状态变化引起的磁电阻。磁化可分为技术磁化及顺行过程。相应地有各向 异性磁电阻和顺行磁电阻。因此原则上， m r = a m r + p m r + o m r ( 5 ) 以柱状c o n j 合金样品的电阻率对磁场的依赖关系为例剐，如图1 8 和1 9 所 示，在2 9 4k 时，m r = a m r + p m r ( o m r 被掩盖) ；在4 2k 时，m r a m r + o m r ( p m r 被掩盖) 。 中国科学技术大学博士学位论文第一章 图1 8 常温下柱状c 。n i 台金的p - h 曲线圈1 94 2kf 柱状c o n j 台金的p - h 曲线 目前，对于巨磁阻的研究主要是在：( 1 ) 磁性多层膜；( 2 ) 纳米尺寸的材料 以及( 3 ) 钙钛矿结构的氧化物中进行的。下面我们将分别作简单的介绍。 1 2 3 磁性多层膜中的巨磁电阻 1 9 8 8 年，法国巴黎