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Fe纳米粒子组装颗粒膜的电输运特性研究

王雄志  
【摘要】:磁性颗粒膜系统中存在的巨磁电阻效应、反常霍尔效应和巨霍尔效应等电输运现象,使其在磁传感器、磁探测器、高密度读写磁头以及磁性随机存储器等新型自旋电子器件中具有广泛的应用前景。然而由于制备方法的限制,关于颗粒尺寸大小、颗粒间距、界面等微结构因素对颗粒膜的电输运性质影响的微观机理还不清晰。因此,寻找新的制备方法制备颗粒尺寸大小、颗粒间距、界面独立可控的颗粒膜,并系统地研究该类颗粒膜微观结构对其电磁输运特性的影响规律和机理具有重要的学术意义和实际应用价值。本论文采用纳米粒子束流复合薄膜沉积系统,利用等离子体溅射惰性气体冷凝法制备了不同氧化程度的Fe纳米粒子组装颗粒膜;并将等离子体溅射惰性气体冷凝法制备的Fe纳米粒子与常规磁控溅射制备的Cr薄膜原位复合制备Fe-Cr纳米粒子组装颗粒膜,系统地研究了不同Cr体积分数对Fe-Cr颗粒膜的电输运特性的影响。主要研究内容如下:(1)采用纳米粒子束流复合薄膜沉积系统,通过控制沉积室中O2的通入量,制备了一系列不同氧化程度的Fe纳米粒子组装颗粒膜。根据颗粒的氧化程度的不同,Fe纳米粒子组装颗粒膜导电模式可分为金属区、过渡区和绝缘区。对于处于金属区的颗粒膜,电阻率与温度的依赖关系可归因于热涨落诱导隧穿过程和温度相关散射效应共同作用;对于绝缘区的颗粒膜,其logσ在低温区间5≤≤50K内与温度T呈logσ∝1/关系,这起源于Fe纳米粒子组装颗粒膜中金属核的尺寸以及铁氧化物绝缘体壳层的厚度的均一性。Fe纳米粒子组装颗粒膜的磁电阻值随O2通入量的增大而单调增加,这主要是由于Fe/Fe-0界面自旋相关散射的增强。(2)利用纳米粒子束流复合薄膜沉积系统制备了不同Cr体积分数的Fe-Cr纳米粒子组装颗粒膜。Fe-Cr颗粒膜的纵向电阻率和反常霍尔电阻率均随着金属Cr成分的增加先增大后减小,并在x=0.26处达到最大值(ρxx=2×104μΩcm、ρAxy=9.55μΩcm)。加入少量的Cr能有效的提高表面和界面的散射,造成电阻率的增大;而当Cr含量进一步增加形成Cr薄膜后,其短路效应和分流效应将导致电阻率的降低。同时,我们发现在建立反常霍尔效应标度关系时,必须扣除来自隧穿效应的贡献;并在扣除隧穿效应的贡献后发现标度系数γ随着成分的增加表现出先增大后减小的变化趋势。研究表明在霍尔输运中表/界面散射可以显著增强反常霍尔效应,但颗粒间的隧穿电阻对反常霍尔效应没有贡献。


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