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半金属颗粒复合体系中磁输运的网络效应

雎胜  
【摘要】:近些年来,半金属颗粒复合体系由于其重要的理论价值和广泛的应用前景而倍受关注。半金属材料具有100%的自旋极化率,由该类材料构成的异质结构中出现了大的磁电阻效应,而半金属颗粒复合体系就是这些异质结构的典型代表。为了从外禀的方面提高低场磁电阻效应,实验上发现采用多晶、粉末等颗粒复合结构是十分有效的。颗粒体系作为一个电输运网络,体系中出现的磁电阻现象实质上是整个网络效应的结果。在半金属颗粒复合体系中,网络效应对磁电阻的影响表现得更为突出。研究网络效应对半金属材料中磁输运的作用不仅在理论上有重要学术价值,同时也为实际应用提供可行的方案,是凝聚态物理和电子材料科学的前沿课题。 本文重点研究了半金属颗粒复合体系中磁输运的网络效应,主要集中在: 1.隧穿型磁电阻的网络模型。 实验结果和理论分析表明,半金属颗粒复合体系中的磁电阻效应主要来源于自旋极化电子在颗粒间的隧穿。在隧穿机制和颗粒本身荷电能的共同影响下,体系电阻随温度的变化与金属/绝缘颗粒复合介质中的输运理论一致,符合1/2的幂指数规律。但是,这个理论是建立在电阻并联模型基础上的,而且体系的磁电阻效应与自旋极化率P的关系并不满足P~2/(1+P~2)的理论预言。显然对于高自旋极化材料,传统的并联模型已经不适合。后来,有人提出改用串联电阻模型。我们对比了串联和并联电阻模型,发现对于传统铁磁金属,串联和并联模型的结果并没有差异或差异很小,但对于高自旋极化材料,特别是半金属材料,串联模型中的磁电阻比并联模型的要大。实际的颗粒体系中的电输运应是介于串联和并联模型之间。为此,我们提出一个完整的电阻网络模型(二维和三维)来研究半金属颗粒复合体系中的磁电阻效应。我们以隧穿型输运机制为例,详细分析了串联,并联和网络模型对磁电阻效应的贡献。我们发现体系的磁电阻效应强烈依赖于网络的结构(网络的维数)以及网络中电阻的分布,而且网络维度越低,磁电阻效应越大;电阻分布越宽,磁电阻效应越大。从电流分布来看,当电流被局域在一个通道内的时侯,体系的磁电阻效应最大,可达到100%。这不仅解释了相关实验,而且为实验上找寻和设计大磁电阻效应的材料结构提供了有效 半金属颗粒复合体系中磁输运的网络效应 摘要 的方案。同时,也为理论上描述半金属颗粒复合体系的磁输运现象提供了模型基础。 2.库仑能隙和磁电阻效应。 在低温和当颗粒的粒径很小时,颗粒本身的荷电能的对电输运有很大的影响,整 个体系的输运特性由颗粒间的隧穿电导和颗粒本身的荷电能共同决定。实验上发现纳 米锰氧化物颗粒体系的磁电阻效应在低温下有很大的增强,同时体系的库仑能隙有很 大的降低。为了解释这类特殊的磁输运现象,我们同时考虑了荷电能和颗粒边界附近 能带弯曲效应对颗粒间自旋极化隧穿的影响。用电阻的高斯分布形式构建了一个电阻 网络模型来计算了整体的磁电阻效应,得出的结果不仅解释了低场磁电阻行为而且能 很好的描述高场行为。在颗粒粒径分布很宽的半金属颗粒复合体系中,同样也出现了 低温下磁电阻增强效应。对于这些平均粒径较小,粒径分布很宽的半金属颗粒复合体 系,低温下库仑阻塞是十分显著的。在我们的网络模型中,同时考虑了在不同大小颗 粒间的C。tunneling以及自旋极化随温度的衰减,成功地解释了磁电阻效应低温下增 强和高温下迅速衰减的特征。我们的模型不仅适用于锌铁氧体这类半金属材料,也能 解释普通铁磁金属/绝缘颗粒复合体系中的磁输运现象。 3.输运通道和磁电阻效应。 在半金属颗粒复合体系中,颗粒边界往往并不是一个完美的绝缘势垒。通过这些 颗粒边界的电导,除了有自旋极化隧穿电导外,还有通过势垒中杂质态的H叩ping 电导。我们分析了CrOZ粉末中电阻和磁电阻的温度效应。发现除了自旋无关通道中 Hopping电导会带来非常大的温度效应外,自旋相关通道中自旋极化率随温度的衰减 也带来了很强的温度效应。通过与实验结果比较,我们发现这两种机制对磁电阻的温 度效应的贡献与退火温度和退火时间有关。我们的模型全面的描述了Cr02粉末中磁 电阻的温度效应。另一方面,对于内票性质特殊的半金属颗粒体系,颗粒与颗粒间的 连接程度决定了整个体系的电输运特性。在我们构建的网络模型的通道中体现了这种 连接程度的差异(弱和强)以更接近实际的情形,其结果比简单的双通道模型更准确 地描述了磁输运现象。一些特殊的实验现象,如磁电阻与温度关系曲线中的肩峰现象, 得到了很好的解释。 半金属颗粒复合体系中磁输运的网络效应 摘要 4.相分离,渗流和磁电阻效应。 近来的实验观测显示,锰氧化物中复杂的电输运现象是和体系内察的相分离特性 紧密联系的。而庞磁电阻效应就是体系中铁磁性金属相和顺磁性的绝缘相的分离和在 外磁场驱动下金属相渗流的结果。由金属性和绝缘性电阻组成的二分量电阻网络模型 可以很好地描述这种内察特性,如金属一绝缘相变,CMR效应。在多晶锰氧化物材料 中,体系表现出更为复杂的输运特性。除了电阻值增大外,标志着金属相到绝缘相的 相变温度也大大降低,


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