外延鐵氧化物薄膜及其異質結構的磁輸運各向異性研究

《外延鐵氧化物薄膜及其異質結構的磁輸運各向異性研究》是依託天津大學，由李鵬擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：外延鐵氧化物薄膜及其異質結構的磁輸運各向異性研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李鵬
• 依託單位：天津大學

項目摘要

各向異性磁電阻和隧穿型各向異性磁電阻在磁性感測器和磁存儲方面具有潛在的套用價值。與傳統非晶和多晶體系中存在的兩重軸對稱各向異性磁電阻不同，最近在諸多體系中觀察到的四重軸對稱各向異性磁電阻隨磁場的增大而增大且不飽和。存在四重軸對稱各向異性磁電阻的鈣鈦礦錳氧化物、磁性半導體以及四氧化三鐵的載流子均是自旋極化的，銅氧化物高溫超導體和外延四氧化三鐵薄膜中均存在反鐵磁耦合。隧穿型各向異性磁電阻與鐵磁絕緣層磁各向異性的關係並不清晰。本課題擬使用反應濺射的方法製備外延鐵氧化物四氧化三鐵和伽馬-三氧化二鐵薄膜及其異質結構，重點研究四氧化三鐵薄膜中高對稱性各向異性磁電阻與自旋極化率和反鐵磁耦合之間的關係，以及伽馬-三氧化二鐵基異質結構的隧穿型各向異性磁電阻與磁各向異性之間的關係。該研究結果將為高對稱性各向異性磁電阻的解釋積累經驗，弄清楚隧穿型各向異性磁電阻與勢壘層磁各向異性之間關係。

結題摘要

外延薄膜中的各向異性磁輸運特性在磁性感測器和磁存儲方面的套用前景而得到廣泛關注。外延薄膜中存在的磁輸運各向異性與非晶和多晶體系中的現象不同，諸多體系中觀察到的四重軸各向異性磁電阻其物理來源並不清晰。該項目中，我們探索了尖晶石鐵氧化物外延薄膜的各向異性、平面霍爾效應兩種典型面內磁輸運各向異性性質的特點，並對比性地拓展研究了外延鈣鈦礦薄膜的磁輸運各向異性和尖晶石結構的氧族、硫族化合物的磁輸運特性，豐富了我們對磁輸運各向異性和磁輸運特性的認識。 本項目中主要發現了Fe3O4/NiO外延異質結構中存在由界面耦合導致的四重軸對稱的平面霍爾效應，作為對比，單層的外延Fe3O4薄膜則不存在四重軸對稱的平面霍爾效應；並發現隨著反鐵磁NiO層薄膜厚度的增大，界面耦合作用逐漸減弱，平面霍爾效應也就從四重軸對稱轉變為兩重軸對稱。 我們在外延ZnO/Fe3O4異質結構的薄膜中發現：當電流垂直於薄膜表面從電極縱向流過Fe3O4薄膜並注入ZnO時，隨著溫度的降低，Fe3O4薄膜的各向異性磁電阻從兩重軸對稱轉變為六重軸對稱，這主要是由於(111)Fe3O4薄膜的易磁化軸在薄膜面內的投影從無磁矩投影(高溫)到六重軸投影(低溫)相關。 我們發現在Cr摻雜Fe3O4外延薄膜中發現了巨平面霍爾效應，兩重軸對稱巨平面霍爾電阻率與普通鐵磁性金屬相比，增大了6個數量級，和外延Fe3O4薄膜相比，也增大了2個數量級。分析表明，弱飽和的巨平面霍爾效應與縱向電阻率的大小和反相邊界尺寸密切相關。 我們發現通過Mn摻雜可以降低半金屬外延Fe3O4薄膜中的本徵生長缺陷反相邊界的反鐵磁耦合強度，並保持了其自旋極化率，且通過第一性原理計算證明了實驗結果，發現反鐵磁耦合強度的降低來源於Mn的離子半徑較大，Mn-O-Fe的鍵長變長所導致。 我們並拓展對比研究外延LaSrCoO薄膜中的四重軸對稱平面霍爾效應，發現磁晶各向異性、自旋軌道是外延鈣鈦礦LaSrCoO薄膜中四重軸對稱平面霍爾效應的來源。在Sr參雜量較小時，由eg軌道對磁各向異性其主要作用，在Sr參雜量大於0.3時，發現t2g軌道對磁各向異性其主要貢獻。 我們還拓展製備並研究了與Fe3O4同構的硫族化合物Fe3S4，並推翻了前人關於Fe3S4是半金屬論斷，發現Fe3S4為普通金屬。並首次在尖晶石鈷氧化物NiCo2O4中發現了低場磁電阻，豐富了存在低場磁電阻的體系。