（凝聚态物理专业论文）铬基硫族尖晶石体系超大磁电阻效应及相关物性的研究.pdf

中国科学技术大学博士学位论文 论文摘要 论文摘要 f 以锰氧化合物为代表的巨磁阻材料，由于它们所表现出的超大巨磁阻效应 ( c ；l o s s a l m a g n e t o s i s t a n c e ) 在提高磁存储密度以及磁敏感探测元件上具有十分 广阔的应用前景，因而受到人们的广泛关注。同时，这类材料还表现出诸如磁 场或光诱导的绝缘体一金属转变、电荷有序、电子相分离等十分丰富的物理内 容，一旦解决了巨磁电阻微观机制方面的难题，必将对凝聚态物理的许多领域 起到重要的推动作用。在锰氧化合物中，对其c m r 效应，目前通常是在双交换 作用和j a h n t e l l e r 效应的框架下进行定性的解释，然而n a g a e v 和其他的一些研 究者却认为双交换作用和j a h n t e l l e r 效应不是c m r 效应的必要条件。而且在铬 基硫族尖晶石和焦绿石体系中，都发现了c m r 效应，但这两种体系既没有双交 换作用也没有j a h n t e l l e r 效应，我们认为对这种非双交换作用体系的研究有助 于理解c m r 效应的本质。 在本论文中，我们通过理论和实验研究，对铬基硫族尖晶石体系的c m r 效 应及相关物性进行了一些探索。论文的部分工作已在国内外杂志上发表。q 论文共分为六章。 第一章 首先简单介绍了各种磁电阻效应及其物理本质，然后具体回顾具有 双交换作用的锰氧化合物以及非双交换作用的铬基硫族尖晶石的c m r 效应及相 关物性的研究进展；着重介绍了锰氧化合物丰富的物理内容，包括晶体结构、 电子结构、电磁相图、有序相等。向过本章，我们将对诸如双交换作用、j a h n t e l l e r 效应、电荷有序等物理概念有所谈识，为进入该研究领域作好准备。j 第二章 我们通过穆斯堡尔谱和x 射线粉末衍射的分析证明在该体系中不 存在双交换作用，同时也不存在j a h n t e l l e r 效应，它是一类新型的超大磁电阻 材料。燃后通过电阻率和热电势的分析，我们得出磁极化子导电的图象，外加 磁场有利于磁极化子的退局域，因此在瓦附近出现巨磁阻效应。并进而提出一 个二流体模型并考虑磁振子散射很好地解释了整个温区的电阻率行为0 第三章对f e c r ：一a i s 。( o x - io ) 的磁性和输运行为进行了研究。陪先通 l 中国科学技术大学博士学位论文 论文摘要 过红外光谱、磁化强度和电子顺磁共振谱研究表明，a i 掺杂在体系中引入了库 仑势和磁性势的涨落，有利于载流子的局域，随着a i 掺杂掺杂浓度的参加，磁 相变展宽并减弱，导电行为逐渐从磁极化子导电向可变程跃迁过渡，当a i 含量 很高时，全温区的输运行为都可被可变程跃迁导电很好地描述，而且没有出现 明显的磁电阻效应。心 第四章我们对f e c r ：。ga ) 【s 。系列样品的巨磁电阻效应进行了研究，研究发现该 体系属于反尖晶石型的材料。蝤先通过穆斯堡尔谱研究了体系中离子的占位， 研究表明g a 3 + 离子优先占据在四面体间隙。电阻率的研究表明随着g a 离子浓度 增加，体系的输运行为在低温端和t 之上逐渐转变为变程跃迁导电，我们认为 体系特有的离子占位很容易引入大的库仑势的涨落，有利于载流子的局域并形 成迁移率边。因此随着掺杂，低温端的导电逐渐从半导体型的输运行为转变为 变程跃迁，而c 之上是由于载流子将迸一步被磁无序所局域。通过考虑磁无序 和库仑势涨落对载流子局域相对比重变化，我们对磁电阻的变化行为进步进 行了阐述。 第五章通过铁磁共振谱对单晶f e c r ：s 。样品的微观磁性进行了研究，揭示出该 体系中存在着很大的磁晶各向异性。进而研究磁晶各向异性对体系宏观和微观 磁性以及输运行为的影响。 第六章 零场冷却和加场冷却磁化强度之间不可逆的行为在锰氧化合物中是普 遍存在的，在本章中，我们通过f e c r 2 。a l 。s 。( o 兰x 1o ) 研究了这个反常行为 的起源。何究发现当o x o7 时，低场下所测量的零场冷却和加场冷却磁化强 度出现不可逆，而对于o8 x 10 ，体系表现出更复杂的磁行为零场冷却 磁化强度随着降温两次变号，磁滞回线的研究表明，这些反常的磁行为与体系 的矫顽力密切相关，通过考虑磁晶各向异性和非磁性离子对畴壁的钉扎作用， 这些低场反常磁行为被很好地解释j 关键词：超大巨磁阻效应j 双交换作用：j a h n t e l l e r 效应j 磁晶各向异性 i i 里型兰垫查盔兰堡主兰堡堡茎鱼茎! ! ! l a b s t r a c t s i n c et h e d i s c o v e r y o fc o l o s s a lm a g n e t o s i s t a n c ee f f e c t ( c m r ) i np e r o v s k i t e m a n g a n i t e s ，i th a ss p a r k e dc o n s i d e r a b l ei n t e r e s t si nt h e s el o n g k n o w nm a t e r i a l sw i t h a n e y e t o w a r d sb o t h a n u n d e r s t a n d i n g o ft h ec m rm e c h a n i s ma n d p o t e n t i a l a p p l i c a t i o n si nm a g n e t i ci n f o r m a t i o ns t o r ea n d l o w f i e l dm a g n e t i cs e n s o r sb e s i d et h e c m re f f e c t ，t h e s em a t e r i a l s a l s oe x h i b i t i n t r i g u i n gp h y s i c a lp r o p e r t i e s s u c ha s i n s u l a t o r m e t a la n d o rs t r u c t u r et r a n s i t i o ni n d u c e db ya p p l i e df i e l do rp h o t or a d i a t i o n ， c h a r g eo r d e r i n g ，a n de l e c t r o n i cp h a s es e p a r a t i o ne t c h e n c ei tw i l lg i v ei m p e t u st ot h e p r o g r e s si nm a n y f i e l d so fc o n d e n s em a t t e rp h y s i c so n c et h eo r i g i no ft h ec m r e f f e c t i sr e a l l ye l u c i d a t e dn o w , i ti sw i d e l ya c c e p t e dt h a tt h ec m r m e c h a n i s mi np e r o v s k i t e m a n g a n i t e s a c c o r d s w i t ht h ef r a m e w o r ko fd o u b l e e x c h a n g e ( d e ) a n dj a h n t e l l e r e f f e c t h o w e v e r , n a g a e va n ds o m eo t h e rr e s e a r c h e r sb e l i e v et h a tb o t hd e i n t e r a c t i o n a n dj a h n t e l l e re f f e c ta r en o tn e c e s s a r yf o r o b s e r v e di n s p i n e lf e c r 2 s 4a n dp y r o c h l o r e c m r e f f e c t ，b e c a u s ec m r e f f e c t sa r ea l s o t 1 2 m n 2 0 7 i nt h e s et w om a t e r i a l s ，t h e r ei s n e i t h e rd o u b l e e x c h a n g ei n t e r a c t i o nn o rj a h n t e l l e re f f e c tt h u s ，t ou n d e r s t a n dt h e i n t r i n s i co r i g i no fc m r e f f e c t ，i t i s n e c e s s a r yt os t u d y ，t h et r a n s p o r t a n dm a g n e t i c b e h a v i o ri nm a t e r i a l sw i t h o u td ei n t e r a c t i o na n dj a h n t e l l e re f f e c t i nt h i st h e s i s ，t h ea u t h o rd e v o t e dh i se f f o r tt ot h es t u d yo fc m r e f f e c ta n dr e l a t e d p r o p e r t i e s i n c r - b a s e d c h a l c o g e n i d es p i n e l s ，b yb o l he x p e r i m e n t a l a n dt h e o r e t i c a l m e t h o d ss o m er e s u l t sh a v eb e e np u b l i s h e d i na c c o r d a n c ew i t ht h ec o n t e n t ，t h i st h e s i si sd i v i d e di n t os i xp a r t s 1 ab r i e fo v e r v i e wo ft h ep r o g r e s so fc m re f f e c t i nt h ef i r s t c h a p t e r , d i f f e r e n tm a g n e t o r e s i s t a n c ep h e n o m e n aa n dr e l a t e dp h y s i c a l p r o p e r t i e sa r er e v i e w e d i np a r t i c u l a r , t h ep r o g r e s so fc m r e f f e c t si nt h em a n g a n i t e s w i t hd o u b l ee x c h a n g e ( d e ) i n t e r a c t i o na n dt h e s p i n e l w i t h o u td ei n t e r a c t i o na r e r e v i e w e di nd e t a i l st h ei n f l u e n tp h y s i c sp r o p e r t i e sa n ds o m es p e c t a c u l a rp h e n o m e n o n o b s e r v e di n p e r o v s k i t em a n g a n i t e s h a sb e e n m a i n l y s u m m a r i z e d i n c l u d i n g f h e i j j ! 里型兰垫苎查兰堕主兰堡垒茎笙苎! ! 里 s t m c t u r a i ，e l e c t r o n i c ，p h a s ed i a g r a m ，o r d e r i n g p h a s e e t cs o m e s p e c i a l p h y s i c s c o n c e p t s ，s u c ha sd e ，j a h n t e l l e re f f e c t ，c h a r g eo r d e r i n g ，a r ei n t e r p r e t e d t h i sp a r ti s h e l p i n gt ob u i l du p ab a c k g r o u n df o rt h er e s e a r c hoc o l o s s a lm a g n e t o r e s i s t a n c e 2 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 ti nf e c r 2 s 4 b ya n a l y z i n gt h ex r d r e s u l t sa n dm o s s b a u e rs p e c t r a ，w ed e m o n s t r a t et h a tt h e r e i sn e i t h e rd o u b l e e x c h a n g e i n t e r a c t i o nn o rj a h n t e l l e re f f e c t i n f e c r 2 s 4 t h i s m a t e r i a lb e l o n g s t oan e wc l a s so fc m rs y s t e mw i t h ad i f f e r e n t u n d e r l y i n g m a g n e t o r e s i s t a n c em e c h a n i s m l o w t e m p e r a t u r et h e r m o e l e c t r i cp o w e ra n dr e s i s t i v i t y m e a s u r e m e n t si n d i c a t et h a tt h em a g n e t i cp o l a r o nd o m i n a t e st h ec o n d u c t i o nb e h a v i o ra t t e m p e r a t u r e s a b o v eta c c o m p a n y i n gt h ep a r a m a g n e t i c ( p m ) 一f e r r o m a g n e t i c ( f m ) t r a n s i t i o n ，t h em a g n e t i cp o l a r o n sw i l ld e l o c a l i z eg r a d u a l l yi n t ot h en a k e dc a r r i e r s t h e r e s i s t i v i t y i nt h ep r e s e n t e dt e m p e r a t u r er a n g ei sw e l ld e s c r i b e di nt e r mo ft w o f l u i d m o d e lc o n c e r n i n gt h ec o e x i s t e n c eo fm a g n e t i cp o l a r o n sa n dn a k e dc a r r i e r s 3 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 ti nf e c r 2 ；a i ，s 4 ( 0 x 1 0 ) i nt h i sc h a p t e r , t 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 ff e c r ! 。a is 4 ( 0 t ，s i n c et h ec a r r i e r s a r ef u r t h e r l o c a l i z e db yt h ep r e s e n c eo fm a g n e t i cd i s o r d e r , v a r i a b l e r a n g eh o p p i n gd o m i n a t e st h e c o n d u c t i o nb e h a v i o ra g a i na c c o r d i n g l y , b yt a k i n ga c c o u n to f t h er e l a t i v ew e i g h t o ft h e m a g n e t i ca n dc h e m i c a ld i s o r d e r , w eg i v e a ne x p l a n a t i o no nt h ev a r i a t i o no fc m r e f f 色c t 5 m a g n e t i ca n i s o t r o p y t h em i c r o m a g n e t i s mi ns p i n e lf e c r 2 s 4s i n g l ec r y s t a lw a si n v e s t i g a t e df r o m110 t o18 5kb ym e a n so ff e r r o m a g n e t i cr e s o n a n c e ( f m r ) i ti s r e v e a l e dt h a tf e c r 2 s 4 s i n g l ec r y s t a l e x h i b i t s l a r g em a g n e t i ca n i s o t r o p y t h em a g n e t i c a n i s o t r o p y i sa l s o r e f l e c t e db ym a c r om a g n e t i s m ，h o w e v e r , i th a sn oe v i d e n ti n f l u e n c eo nt r a n s p o r ta n d c o l o s s a lm a g n e t o r e s i s t a n c eb e h a v i o u r 6 a b n o r m a lt e m p e r a t u r ed e p e n d e n c eo fl o w f i e l dm a g n e t i z a t i o ni nf e c r 2 n a is 4 i nc m rm a t e r i a l s ，t h e r ei sa b n o r m a lm a g n e t i cb e h a v i o rt h a tt h em a g n e t i z a t i o n d o e sn o tt e n dt os a t u r a t i o nw i t hd e c r e a s i n gt e m p e r a t u r eb e l o wti nt h i sc h a p t e r ，t h e o r i g i no ft h i su b i q u i t o u sp h e n o m e n o ni s s t u d i e db yf e c r 2 。a 1s 4 ( o x 1o ) t h e s t u d yo fl o wf i e l dm a g n e t i z a t i o ns h o w st h a ta l l t h es a m p l e se x h i b i tl a r g ei r r e v e r s i b l e f i e l d c o o l i n g ( f c ) a n dz e r o f i e l d c o o l i n g ( z f c ) m a g n e t i cb e h a v i o ru p o nw a r m i n g ， t h ez f cm a g n e t i z a t i o nf o rx = 08a n d10i sf o u n dt o c h a n g es i g n f o rt w ot i m e s h o w e v e r ，t h ef cm a g n e t i z a t i o nc h a n g e ss i g no n l yo n c e m a g n e t i ch y s t e r e s i s l o o p m e a s u r e m e n t sr e v e a lt h a tt h i ss y s t e md i s p l a y sl a r g ec o e r c i v i t ya tl o w e rt e m p e r a t u r e s ， w i t hi n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e ，t h ec o e r c i v i t yd e c r e a s e sa b r u p t l y b yt a k i n ga c c o u n to f t h ef r u s t r a t i o no fm a g n e t i cd o m a i nm o t i o ni n d u c e db yl a r g em a g n e t i ca n i s o t r o p ya n d d o m a i nw a l l p i n i n go fn o n m a g n e t i ci o n s ，t h ea b n o r m a lm a g n e t i cb e h a v i o rc a nb e e x p l a i n e dq u a l i t a t i v e l y k e yw m d s ：c o l o s s a l m a g n e t o r e s i s t a n c e ，d o u b l e e x c h a n g ei n t e r a c t i o n ，j a h n t e l l e r e f f e c t ，m a g n e t i ca n i s o t r o p y v 致谢 在本论文完成之际，我首先向我的导师张裕恒教授表示最诚挚的谢意，学深 为师，身正为范，导师严谨的治学、渊博的学识和敏锐的科学洞察力使学生在 科研工作中受益菲浅，导师周围所建立起来的轻松愉快的学术气氛给学生以感 染和启迪，同时导师正直的为人，也为学生树立了榜样。 感谢朱弘副教授、田明亮教授、许小军副教授、阮可青副教授和许高杰博士 后在低温实验技术上的指导和帮助。感谢林子敬教授在理论计算中给予的帮助。 另外特别感谢中国科学院安徽光学精密机械研究所杭寅研究员、张连翰博士在 单晶生长上给予的帮助和指导。 在整个论文完成过程中，结构分析实验室的很多老师都给予了无私的帮助。 作者特别感谢高分辨实验室谭舜副教授、陈志文副教授以及张庶元教授在学习 和生活中几年来给予我巨大的关心和帮助。感谢x 射线衍射室的周贵恩教授、 王昌隧教授、吴文彬教授、陈林副教授、石磊教授、贾云波女士，电子顺磁共 振室的粱任右教授、徐云华博士、金嗣昭教授，穆斯堡尔室的李玉芝教授，电 镜室的李凡庆副教授、刘先明副教授，能谱室的季明荣教授、朱警生教授，红 外光谱室的胡克良教授。同时，童建安先生、刘燕萍女士、王春兰女士也给予 作者多方面的支持和帮助，在此一并致谢。 感谢众师兄弟朱德亮、郑磊、闫宏杰、金灏、李新建、杨宏伟、皮雳、孙 勇、张波、张建武、张昌锦、童伟、乐松、鲍兴字、丁乐天、尹艺、王啦先、 常小奇、吴欢、胡良兵、汤酉建，大家一起度过的快乐时光和相处的深厚情谊， 令我难以忘怀。 最后，感谢多年来我的家人对我工作和学习无私的支持和奉献，愿他们电能 分享我此时的喜悦。 杨昭荣 二零零二年四月，于合肥 = 。 誊zi 、j 中国科学技术大学博士学位论文前言 前言 著名的理论物理学家rf e y n m a n 在1 9 5 9 年的一篇报告中曾经指出：“当我 们得以对细微尺度的事物加以操纵的话，毫无疑问，将会大大地扩充我们可能 获得物性的范围” 1 ，这段话有预见性地概括了2 0 世纪下半叶发展新材料的 主要动向之一：即通过设计和控制材料在细微尺度上的微结构，从普通的材料 中发掘并获得许多意想不到的、崭新的物理性能。2 0 世纪末正是由于人们在f e c r 人工多层膜中发现巨磁电阻( g m r ) 效应 2 】，从而揭开了富有应用前景的 磁电子学的序幕。 众所周知，电子既是电荷的负载体，同时又是自旋的负载体。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 特性为主要内容的微电子学是二十世纪人类最伟大的创造之一。在微电子学中 自旋状态是不予考虑的，电子的输运过程仅利用它的荷电性由电场来控制。人 类是否可以利用电子的自旋来操纵它的输运过程? 由于磁性相互作用的范围只 有几个纳米，当科学技术的发展可以实现纳米尺度的人造材料的时候，这个设 想才得到了实现，也正是由于材料尺度可以和物理的特征长度相当，从而揭示 出许多独特的物理效应，例如巨磁电阻( g m r ) 、隧穿磁电阻( t m r ) 、超大磁 电阻效应( c m r ) 和自旋转移等【2 - 5 。对这些现象的深入探讨已经发展成了一门 新型的学科一磁电子学。 g m r 或t m r 效应的核心问题是自旋极化电子输运或自旋相关散射，通常 发生在人工结构材料中。而c m r 效应则发生在自然材料锰氧化合物中，和 g m r 或t m r 效应相比，c m r 效应的磁电阻效应更大，因此c m r 效应一经发 现就引起了极大的关注，现在对c m r 效应的研究已经成为了凝聚态物理的一个 热点。c m r 效应研究的意义主要有以下几个方面： 1 远大的应用前景：高密度磁盘存储的需要，科学工作者主要从提高响应 温度和尝试降低阈值磁场入手。同时，c m r 材料的高电子自旋极化率( 9 0 以上) 也预示其为构造高效率磁隧道结的理想材料 6 j 。另外，在磁制 冷、磁传感、和红外成像等方面 7 9 ，c m r 材料有着无与伦比的应用 前景。 2 提供了了解电子自旋属性的舞台。人类对自旋重要性的认识才刚刚起步， 巨磁电阻效应只不过是自旋展示雄风的一例，深信自旋属性的意义还远 中国科学技术大学博士学位论文前直 未挖掘出。 3 对强关联电子体系一般规律科学认识的需要。c m r 效应的研究，很大程 度上应得益于人们在高温超导研究中积累的丰富经验，和高温超导体相 比，它们具有类似的钙钛矿结构，母体材料都是莫特绝缘体，锰氧化合 物是继高温超导体发现之后，另一类具有很强的电子一电子、电声子相 互作用并表现出金属型输运行为的过渡金属氧化物，因此c m r 效应一 经发现就引起了高温超导科学工作者极大的关注，对高温超导的处理方 法和研究手段被直接应用到c m r 效应研究中，在c m r 效应研究中出现 了许多和高温超导类似的概念和实验现象，如：双极化子、电荷有序、 相分离、条纹相、以及赝能隙等 1 0 1 4 ，对这些现象的正确认识必将大 大推动高温超导乃至凝聚态物理其他领域的研究。 c m r 效应自发现至今，对它的机理探索已有了很大的进展，然而锰氧化合 物是一类复杂的体系，在锰氧化合物中不但存在双交换作用，还存在超交换作 用，电子库仑相互作用，电一声子作用，和磁弹性耦合等，这些相互作用随着不 同掺杂以及外加磁场、压力的变化，此消彼长，相互竞争，表现出一系列的物 理现象，如c m r 效应，电荷有序，轨道有序以及相分离等。对这些相互作用的 不同认识也就导致了对c m r 效应机制的不同争论，争论的焦点目前主要在双交 换作用和j a h n t e l l e r 极化子是不是c m r 效应的必要因素。许多物理事实证明双 交换作用和j a h n t e l l e r 极化子在锰氧化合物中起主导作用1 5 ，1 6 ，然而c m r 效应同样存在于铬基硫族尖晶石f e c r z s 。以及铊系锰氧化和物( 烧焦绿石结构) 中f 1 7 ，1 8 ，在这两类化合物中不存在双交换作用和j a h n t e l l e r 极化子，所有这 些都说明探索c m r 效应还需要大量细致深入的工作。 本博士论文的重点就是在于研究铬基硫族尖晶石体系的c m r 效应及相关物 性。论文共分为六章：第一章首先对传统材料的磁电阻的机理作一简述，然后 具体回顾具有双交换作用的锰氧化合物以及非双交换作用的铬基硫族尖晶石的 c m r 效应的研究进展；第二章研究了尖晶石f e c r ：s 。的电磁特性和磁电阻机制； 第三章研究了a 1 掺杂对f e c r ：s 。的电磁特性和磁电阻效应的影响；第四章介绍 了反尖晶石型f e c r ：、g k s 。材料的巨磁电阻效应；第五章研究了体系的磁晶各向 异性，以及磁晶各向异性在宏观磁性和微观磁性上的表现；第六章研究了零场 冷却和加场冷却磁化强度不可逆行为的起源，并介绍了一个有趣的磁现象一一 温度诱导的磁矩反转现象。 ! 里型兰垫查查兰堕圭兰堡堡兰 一一竖l 一 【参考文献】 1 rf e y n m a n ，e n g i n e e r i n g a n ds c i e n c e ，f e b ( 1 9 6 0 ) ，2 2 2 3m nb a i b i c h jmb r o t o ，af e r t , fn g u y e u v a nd a ua n dfp e t r o f f , p h y s r e v l e t t6 1 ( 1 9 8 8 ) 2 4 7 2 3 tm i y a z a k ia n dnt e z u k a ，jm a g nm a g nm a t e r1 3 9 ( 1 9 9 5 ) l 2 3 1 ，tm i y a z a k i a n dnt e z u k a jm a g nm a g nm a t e r 1 5 1 ( 1 9 9 5 ) 4 0 3 4 aeb e r k o w i t g ，jrm i t c h e l l ，m jc a r e y , apy o u n g ，sz h a n g ，fes p a d a ，f tp a r k a r，(,ah u t t e na n dg t h o m a sp h y sr e vl e t t6 8 19 9 2 ) 3 7 4 5 5 rv o nh e l m o l t ，jw e c k e r , bh o l z a p f e i l ，l s c h u l t za n dks a m w e r ，p h y sr e v l e t t7 l ，2 3 3 l ( 1 9 9 3 ) 6 g a n gx i a o ，l e c t u r e so n g m ra n di t sa p p l i c a t i o n si nc c a s t ( s u m m e r , 1 9 9 6 ) 7 xxz h a n g ，j t a i a d a ，yx i n ，e ta l ，a p p lp h y s l e t t 6 9 ，3 5 9 6 ( 1 9 9 6 ) 8 zbg u o ，ywd u ，j s z h u ，hh u a n g ，wpd i n g ，a n ddf e n g ，p h y s r e v l e t t7 8 ，1 1 4 2 ( 1 9 9 7 ) 9 r a v ib a t h e ，kpa d h i ，s i p a t i l ，gm a r e s t ，bh a n n o y e r , a n ds b o g a l e ，a p p l p h y s l e t t7 6 ，2 1 0 4 ( 2 0 0 0 ) l o asa l e x a n d r o va n d amb r a t k o v s k y ，p h y sr e vl e t t8 2 ，1 4 1 ( 1 9 9 9 ) 1 1 y t o k u r a ，yt o m i o k a ，jmm m 2 0 0 ，1 ( 1 9 9 9 ) 1 2 mu e h a r a ，s m o r i ，chc h e n ，a n ds wc h o e n g ，n a t u r e ( l o n d o n ) 3 9 9 5 6 0f 1 9 9 9 ) sm o r i ，chc h e n ，a n ds wc h o e n g ，n a t u r e ( l o n d o n ) 3 9 2 ，4 7 3 ( 1 9 9 8 ) am o r e o ，sy u n o k i ，ed a g o t t o ，p h y sr e vl e t t8 3 ，2 7 7 3 ，( 19 9 9 ) g u o m e n gz h a o ，m b h u n t ，a n dhk e l l e r , p h y s r e vl e t t 7 8 ，15 3 9 7 ( 1 9 9 7 ) 1 6 m i l i s aj ，s h r a i m a n bia n dm u e l l e r r1 9 9 6p h y sr e vl e t t7 71 7 5 1 7 m as u b r a m a n i a n 、bht o b y , apr a m i r e z ，wjm a r s h a l l ，aws l e i g h t ， ghk w e i ，s c i e n c e2 7 3 ( 1 9 9 6 ) 8 1 1 8 apr a m i r e z ，rj c a v aa n dj k e a j e w s l i ，n a t u r e3 8 7 ( 1 9 9 7 ) 2 6 8 3 中国科学技术大学博士学位论文塑二兰 第一章磁致电阻效应的研究进展 所谓磁阻效应( m r ) 是指电阻率p 在外加磁场h 下所产生的变化。其变化 量ap 的大小以及行为依赖于磁场以及材料中电流与磁场的方位，即不同的h 和j 的夹角，其磁阻效应是不一样的。通常存在两种磁阻效应：径向磁阻效应 p ，= p ，( h ) 一p ，( o ) ，对应于磁场平行于电流方向；横向磁阻效应p = p ( h ) pl ( o ) ，对应于磁场垂直于电流方向。 1 1正常磁致电阻效应( o m r ) 正常磁致电阻效应( o m r ) 为普遍存在于所有金属中的磁场电阻效应【1 ， 来源于磁场对电子的洛伦兹力。该力导致载流子运动发生偏转或螺旋运动，因 而使电阻升高。其特点是： ( 1 ) 脚：旦丝) 二鱼 o 。 p o ( 2 ) 各向异性，但n 尸 o 。 ( 3 )磁场不高时，m r b 2 。 1 2铁磁金属的磁电阻效应 1 9 6 4 年r e e d 和f a w c e t t 发现退火消除应力后的高纯铁单晶的晶须在低温42 k 时不加外磁场的电阻率是加饱和磁化外磁场( 1k o e ) 的十倍 2 。这一巨大 的磁电阻效应是由于不加外磁场时，铁单晶的晶须分为许多磁畴，各磁畴的磁 化方向无序分布将使系统的能量最低，这时对电子存在较强的畴壁散射、自旋 波散射以及由于晶须各向异性能的散射( 各磁畴的磁化强度方向不同) 等，在 晶须饱和磁化后，这些散射都大大减小。尽管铁单晶晶须的磁电阻效应很大， 但由于其大规模生产困难使其难以开发利用。不过，铁磁金属和合金多晶体的 各向异性磁电阻( a m r ) 效应，即磁场方向( 也就是磁化方向) 平行于电流方 向的电阻率p 一与磁场方向垂直于电流方向的电阻率p 发生变化的效应，却如上 中国科学技术大学博士学位论文塑二重 文所述目前已处在广泛应用的阶段。各向异性磁电阻( a m r ) 效应必然来自各 向异性的散射，而各向异性的散射被认为主要来源于自旋一轨道耦合和低对称性 的势散射中心【3 ，4 】，前者降低了电子波函数的对称性，使电子的自旋与其轨道 运动相关联，目前人们比较普遍接受这一机制。 1 3 磁性金属多层膜的巨磁电阻效应( g m r ) 1 9 8 6 年o m n b e r g 等人发现在“f e c r f e ”三明治结构中，f e 层之间可以通 过c r 层进行交换作用，当c r 层在合适的厚度时两铁层之间存在反铁磁耦合 5 。 在这样的历史背景下，1 9 8 8 年b a i b i c h 等人研究了在( 1 0 0 ) g a a s 基片上用分子 束外延( m b e ) 生长的单晶( 1 0 0 ) f e c r f e 三层膜和( f e c r ) 超晶格的电子输 运性质 6 。结果发现当c r 层的厚度为9a 时，在4 2k 下2 0k o e 的外磁场可 以克服反铁磁层间耦合而使相邻f e 层磁矩方向平行排列，而此时电流方向平行 于膜面的电阻率下降至不加外磁场( 即相邻f e 层磁化矢量反平行排列) 时的一 半，磁电阻值m r ( ) = p p f ( p ( h ) 一p 3 p s 高达1 0 0 ，故命名为巨磁电阻效应 ( g m r ) ，更新的结果表明( f e c r ) 超晶格的磁电阻效应在低温l5 k 甚至还可 以更高至2 2 0 【7 】。g