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Ni/CN_x异质结构的磁性和电输运特性

刘丹  
【摘要】: 非晶态碳氮(a-CNx)薄膜具有各种优良的性质,如高硬度、高弹性模量、极好的表面抗磨损力、可调光学带隙和优良的导电能力等。a-CNx薄膜与磁性金属形成的复合结构具有独特的电学和磁学性质,可应用于各类磁学和电学器件。本论文采用双对向靶直流磁控溅射系统,在不同的氮气分压(P_(N_2))下,制备了Ni/CNx/Ni三层异质结构和Ni/CNx多层膜结构,并对它们的微观结构、磁学和电输运特性进行了系统研究。 在低P_(N_2)下,所有Ni/CNx异质结构都易形成C60和石墨的纯碳相,并且随着N元素的引入,纯碳相逐渐减少,薄膜的结晶程度下降。多层膜的层状结构良好,同PN2下Ni的结晶度要低于三层异质结构。随着PN2的增大,N原子与C原子形成N–sp2C键,薄膜中sp3态减少,sp2态增多,键角畸变增多,薄膜虽趋于石墨化,但结构中多为石墨片段,薄膜的结构无序化程度增大。 由于Ni的结晶度降低以及界面处生成的NixC和NixN等非晶相,三层异质结构和多层膜结构在50 kOe的磁场下均呈现软磁特性,饱和磁化强度和矫顽力都随温度的升高而减小,但饱和磁化强度要比纯Ni薄膜有所减小,矫顽力明显增大。 除了PN2=0%的三层异质结构在低温和高温时都具有负磁电阻(MR)外,其余样品都在低温时产生负MR,随着温度的升高负MR值逐渐减小,并转变为正值,得到室温正MR。低温负MR来源于Ni层自旋极化电流的自旋相关隧穿。采用含有如碳等轻元素的有机材料作为势垒层时,较弱的自旋–轨道耦合或有机半导体小分子的超精细相互作用等会提高自旋相干时间和距离,从而提高电流自旋相关隧穿的几率。随着PN2的提高,N元素的掺入会增加带隙中的缺陷态,界面处的缺陷态密度很高,减少了从Ni层传入a-CNx中的电子,负MR值减小。随着温度的提高,洛伦兹力的作用和局域电子波函数的收缩,以及界面处Ni层与a-CNx间的势垒层和高缺陷态密度增强了自旋极化电子的散射,正MR值逐渐增大。


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