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非磁性半导体的异常磁电阻效应研究

宋亚舞  
【摘要】: 近年来,磁电阻效应因其重要的学术意义和商业应用价值而受到广泛的关注。磁电阻效应指的是在磁场下材料的电阻发生显著改变,该效应出现在一系列人工制备或自然的材料中。目前被广泛研究的磁电阻材料主要有两大类:一类是人工制备的磁性多层膜和颗粒复合体系,其磁电阻效应基于自旋极化输运机制,包括自旋极化散射机制和自旋极化隧穿机制等。这种磁电阻效应通常被称为巨磁电阻(GMR)或隧穿磁电阻(TMR)。另一类磁电阻材料为掺杂的钙钛矿锰氧化物,在一定的掺杂浓度下,材料发生从低温金属态向高温绝缘态的相变,并伴随着铁磁到顺磁的磁性相变。在相变区域,材料电阻对磁场显示出极高的敏感性,呈现出巨大的磁电阻效应,被称为庞磁电阻(CMR)效应。上述磁电阻材料中,电阻均随外加磁场减小,即负磁电阻效应,且在一定磁场下达到饱和。与负磁电阻效应不同,在非均匀的非磁性半导体材料中发现了明显的正磁电阻效应,在一定的掺杂条件或复合结构下,电阻随磁场的增加而显著上升。这种特殊的正磁电阻效应无法用传统的磁输运理论解释,且在行为上不同于之前的任何磁电阻效应,被称为异常磁电阻效应。利用这种磁电阻效应制成的磁感应器具有低噪声、小尺寸、制备技术成熟的优势。同时,在稳定性、精确度和低功耗方面具有明显优势,并且可同时适用于直流和脉冲两种情况。因此,在非磁性半导体中发现的这种异常磁电阻效应被认为会令磁电阻器件的尺寸、存储密度、及应用范围等方面获得重要突破。 本文从理论上研究了不同非均匀结构下非磁性半导体材料的磁输运行为。在非磁性半导体中发现的异常磁电阻效应由于组分本身不具有磁电阻效应,因此这种宏观磁电阻完全由体系的非均匀性驱动,它取决于体系中由非均匀分布带来的电流通道结构。在微观层次上,非磁性半导体异常磁电阻效应的基本机制是霍耳效应,即磁场通过影响电导张量的非对角元产生对输运的作用。另一方面,相关的实验和理论研究都表明此种异常磁电阻效应与体系的非均匀性密切相关。对于规则度高的非均匀体系,我们可以采用严格求解电磁方程的方法来获得体系磁输运行为随均匀性的变化。而对于具有无序非均匀分布的非磁性半导体,我们采用张量形式的有效介质理论处理体系的宏观磁电阻效应。有效介质理论是研究非均匀体系输运性质的重要方法,在磁输运研究中,常被用来分析非均匀性对材料宏观输运性质的影响。在之前的研究中,采用有效介质近似计算的磁输运理论工作大多局限于组分电导为标量、各向同性且不考虑霍耳效应;或考虑到霍耳效应,但只局限于载流子迁移率无序(即霍耳系数无序)或强场极限。我们的计算将其推广到同时考虑迁移率无序和零场电阻率无序分布的体系中,得到了组分电导强烈失配下体系的特殊磁输运行为。 我们的主要工作与结果如下: 首先,我们针对具有规则非均匀性的半导体-金属复合结构,设定合理简化的边界条件,采用电磁方程的解析解,得到电极电势差随磁场及体系非均匀分布的变化,从而获得该结构的整体磁电阻效应。我们引入三个参数分别描述体系的几何非均匀性、霍耳系数非均匀性及欧姆电阻的非均匀性,考察了它们对材料的磁输运行为的影响。计算结果表明,这三种不同的非均匀性参数同时对半导体-金属复合结构的磁输运行为产生明显影响。在高迁移率对比和高电导率对比同时存在的前提下,体系中的电流行为随磁场发生明显改变。外加磁场足够大时,金属相的增加反而令电阻迅速上升,仅当金属区域的比例接近一时电阻才开始下降。相应地,材料的磁电阻也随着金属相的引入出现峰值,该峰值的位置与宽度均明显受到磁场的调控。这些结果与实验中观察到的半导体-金属复合结构的磁输运特征相一致。进一步的计算表明,在适当的不同迁移率比值和电导率比值下,复合结构的磁电阻效应发生符号翻转。这一现象在一些半导体复合材料中也被观察到,但至今未得到合理的解释。我们的计算可以作为此类材料的翻转磁电阻效应研究的出发点,为从理论上深入探讨不同材料复合而成的半导体结构中的磁电阻翻转效应提供基本的图像。 其次,我们针对体系的迁移率非均匀分布和组分的电阻失配,建立二组分无序电导体系,采用组分电导张量来计入霍耳效应,并应用自洽有效介质近似方程计算体系在平行和垂直外加磁场方向上的磁电阻效应。结果表明,MR效应不仅取决于载流子迁移率的无序度,同时也受到组分零场电阻无序的影响。我们主要关注两种组分的零场电阻具有较大差异时的情况。对于非均匀无序体系,当体系参量(通常为组分浓度)达到一定临界值时,某组分构形从不连通向连通渡越,即发生几何逾渗,对应临界值称为“逾渗阈值”。当组分零场电阻具有显著差异时,电流趋向于集中在导电能力强的组分内,导致体系的宏观输运亦在特定的阈值处发生显著变化,极限条件下形成金属/绝缘体复合体系的电逾渗行为。对于非磁性半导体材料,电流通路在零磁场条件下的分布状态直接影响整体的磁输运行为。我们的计算发现,在垂直外加磁场的方向上,体系的总磁电阻从零场电阻接近时的单峰演化成双峰,并具有更复杂的磁场行为;同时,在平行外加磁场的方向上,组分浓度处于一定范围时亦会涌现出纵向磁电阻(电流方向平行于外加磁场方向)。这些特殊的磁电阻效应与组分的逾渗结构呈现出明显关联。虽然在有效介质理论的框架中,还不能给出这些特殊磁输运行为的微观起源,但计算结果显示出横向磁电阻(电流方向垂直于外加磁场方向)的行为与组分逾渗通道的形成有明显关联。 在非磁性半导体的非均匀体系中的这些特殊磁电阻效应将拓宽磁电阻器件的应用领域,如在掺杂非磁性半导体中出现线性不饱和的磁电阻,令制造基于磁电阻效应的新型强磁场传感器成为可能。不仅如此,由于异常磁电阻主要取决于介观层次的非均匀性分布,温度等外部因素对其的干扰相对较弱,从而更有利于设计出稳定性好且可控性更强的磁输运器件。


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