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《苏州大学》 2001年
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金属磁性颗粒复合介质的磁性质与磁输运

许晨  
【摘要】: 颗粒复合介质是指颗粒状的一种或几种材料无规分布在某种基质中而形成 的新型复合材料。由不同组分的材料形成颗粒复合介质后,可具有与组分物性 差异很大的性质,展现出丰富的物理现象。由于这种颗粒复合介质在实验上比 较容易制备,对实际的应用提供了广阔的前景。理论上对这种颗粒复合介质的 研究成为凝聚态物理理论研究的一个热门课题,许多理论与实验学者都对这 些颗粒复合介质产生了浓厚的兴趣。其中金属磁性颗粒复合介质是指由超细的 磁性颗粒无规分散在非磁性的金属基质中形成的一种合金。该种颗粒复合介质 是本文研究的重点对象,其中的磁性小颗粒的尺寸通常为几个到一百个纳米, 它们无规地且与基质不相溶地分散在非磁金属基质中。这种新型的金属磁性颗 粒复合介质具有与磁性多层膜相类似的巨磁电阻效应(Giant Magnetoresistance Effect)以及其它重要的磁学性质。本文主要以发展新的理论计算方法及蒙特卡 罗(Monte Carlo Simulation)计算机模拟来研究这种颗粒复合介质中的磁学性质 和巨磁电阻效应。 当前,尽管人们已经开始利用金属磁性颗粒复合介质或磁性多层膜中出现 的巨磁电阻效应制作一些应用的器件,但是理论上在微观尺度范围内对巨磁电 阻效应的理解还有不清楚和不够深入的地方。本文将着重研究金属磁性颗粒复 合介质的磁学行为和巨磁电阻效应在外磁场作用下与磁性颗粒的尺寸、空间分 布、浓度等的关系。本文首先对这种颗粒复合介质中出现的各种磁化现象进行 了讨论,并证实了体系中出现的磁滞现象和一些不可逆的磁化过程是由于在一 定温度下被阻塞磁性颗粒磁矩的不可逆翻转造成的。我们在区分了超顺磁颗粒 和被阻塞的铁磁性颗粒对电子传导过程引起的不同效应后,发展了组合双通道 模型与有效介质理论的方法,对电子在磁性颗粒间的自旋相关散射的微观过程 作了统计物理的计算,得到了体系的巨磁电阻随外加磁场、颗粒浓度、温度等 变化的关系。我们在考虑了传导电子在不同磁性颗粒间散射时可能存在的微观 过程,提出了一个宏观的统计唯象理论,解释了一些实验中磁电阻随温度的变 化关系。在推广的Gittleman理论基础上,我们运用蒙特卡罗方法模拟了金属 磁性颗粒复合介质中的巨磁电阻效应,发现在考虑磁性颗粒的尺寸分布以及它 们之间的相互作用后,能够较胭解释实验中出现的一些巨戳电阻现象。我们 比较了系统在脯不同哈密顿量时的磁电阻变化关系,并在考虑了磁性颗粒间 的相互作用后,比较了体系在不同维度和不同颗粒尺寸分布条件下的磁电阻效 应。我们发现宽化的颗粒尺寸分布是引起磁电阻偏离磁化强度二次方关系的一0 个重要因素。在梗拟戳性颗粒浓 蠢电阻的影响时,我们将传导电子的微观 0 散射过程具体化,提出了将无规电阻网络与蒙特卡罗模拟相结合的施,由此 得出了磁电阻随浓度的增加而出现了峰值,其峰顾应的浓度与实验上观测到 的浓度范围相符,并比较了体系磁电阻随浓度的变化在二维及三维情形下的不 同。 对于朋磁性颗粒复合体系的巨磁电阻效应,人们通常认为当外加磁场为 零时,这些细小磁颗粒的磁矩无规分布在介质中,对于自旋方向向上及自旋方 向向下的传导电子在介质中传导时,将受到杂乱无章取向的颗粒磁矩的散射, 因而具摊高的电阻。当外加一强磁场后,这娜粒磁矩将沿外加磁场的取向 而排列。这些有序化的磁矩排列对某一种自旋取向的传导电子将引起一种短路 效应,从而使整体的电阻下降,产生了所谓的巨磁电腴应。这种基于与电子 自旋相关散射的模型通常也称为双通道模型口w。Channd Model八我们认为电 子自旋相关的散射主要是发生在磁性颗粒与非磁性基质间的界面层处,原因是 这些磁性颗粒形成了很强的局域磁场,从而对于不同自旋取向的传导电子将产 生不同程度的散射势能,由此导致了不同的电阻通道。所以金属磁性颗粒复合 介质中的巨磁电阻现象与磁娜粒磁矩的取向密切相关,因此研究这些无规分 布磁性颗粒的磁学性质是重要的。 在研究巨磁电阻与外加磁场大小的变化关系中,我们首先将金属磁性颗粒 复合介质中的超细磁性颗粒按照其在给定温度下所展示出的不同物理性质而 分为删磁性OuPopax-etism和铁磁性两种类型的颗粒。由于铁磁性颗粒 磁矩的取向不受温度的影响,因而其磁矩方向将沿某一方向稳定排列。所以我 们可以假设铁磁性颗粒的磁矩将随外加强磁场而很快有序化排列(沿外加磁场 方向八对于超顺磁性颗粒则由于热效应,其磁矩并不固定在某一易磁化轴方 向,而是在空间不停地翻转(甚至在有很强的外加磁场存在的情形h因此,其 if 磁矩在空间将存在某种分布。其次我们引入唯象参数用以表征自旋方向向上及 自旋方向向下的传导电子与颗粒界面层散射时而引起的不同电导。然后,?
【学位授予单位】:苏州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2001
【分类号】:O482.5

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