磁性納米粒子組裝薄膜的反常霍爾效應研究

《磁性納米粒子組裝薄膜的反常霍爾效應研究》是依託廈門大學，由彭棟樑擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：磁性納米粒子組裝薄膜的反常霍爾效應研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：彭棟樑
• 依託單位：廈門大學

項目摘要

非均勻體系金屬磁性材料中觀察到的增強的反常霍爾效應具有巨大的潛在套用價值，然而由於其反常霍爾係數還不能和半導體的相比，這阻礙了它的廣泛套用，因而迫切需要從新體系開發、製備方法、增強機理和調控手段上開展創新性研究。本項目擬通過具有特色的納米粒子束流顆粒膜沉積設備，利用該設備可以獨立控制顆粒尺寸、顆粒合金成分、無序度和顆粒表面修飾的特點，針對單一組元Co、Ni金屬納米粒子和雙金屬Fe-Ni、Co-Pt合金納米粒子，製備有別於傳統顆粒膜的新型納米粒子組裝薄膜，並圍繞該顆粒膜的界面特性、顆粒尺寸均一性、粒徑大小、顆粒無序度以及顆粒表面修飾與反常霍爾效應的關係及其機理展開一系列深入研究，力圖明確顆粒膜中各因素對反常霍爾效應的確切貢獻，闡明各因素對增強反常霍爾效應的影響機制，實現對反常霍爾效應的調控，探究顯著提高非均勻體系反常霍爾係數和靈敏度的有效途徑，為反常霍爾效應的廣泛套用提供實驗和理論依據。

結題摘要

本項目藉助實驗室自行研製的納米粒子束流複合沉積系統，以納米粒子原位組裝和原位氧化的方式製備新型顆粒膜，解決了傳統製備方法無法獨立調控顆粒膜微觀結構的瓶頸。在此基礎上系統研究了顆粒膜的微結構要素對反常霍爾效應的影響機制，明確反常霍爾效應更深層次的物理機制，並發展和完善顆粒膜中電磁輸運的相關理論。通過項目實施，主要取得了以下研究成果：1、製備出了尺寸均一性好、粒徑可調的Fe、Co、Fe-Ni、Co-Pd等磁性及其合金納米粒子，獲得了以原位氧化以及原位複合方法製備Co/CoO、Fe/Fe-O以及Fe3O4等新型納米粒子組裝顆粒膜的技術資料；2、製備的Co 納米顆粒以“軟著陸”的形式堆疊成膜時發生部分融合現象，通過顆粒界面的三維網路接觸實現導電。界面處原子的高度無序和輕微氧化，使相鄰顆粒間形成微弱的隧道結，研究發現隧道結的隧穿效應是導致反常霍爾標度關係異常的重要原因；3、進一步製備了一系列不同顆粒尺寸的Co納米顆粒組裝薄膜，發現其反常霍爾效應的標度係數與顆粒尺寸密切相關。顆粒尺寸為4.5 nm的Co納米顆粒組裝薄膜在室溫下的反常霍爾係數比單晶Co的霍爾係數高了近4個數量級，這么大的霍爾係數使得Co納米顆粒組裝薄膜在霍爾器件中具有廣闊的套用前景；3、通過低溫原位退火實現對同一Co納米顆粒組裝薄膜樣品的表面和界面的輕微調節，低溫退火不足以改變整個顆粒的結晶性，但可影響顆粒間存在的導電細絲並促使界面處原子的輕微重整，並導致顆粒膜退火後電阻增加但顆粒間勢壘降低的這一矛盾的現象。扣除隧穿過程的影響後反常霍爾效應標度關係在整個溫度區間內都滿足同一標度係數，進一步證實隧穿過程的自旋無關性是導致標度理論反常的重要因素；4、利用原位表面修飾的方法製備了Co/Cu複合顆粒薄膜，微量Cu的加入能增強表面和界面散射並增大反常霍爾電阻率，但隨著Cu的進一步加入，短路效應的出現導致了反常霍爾效應減弱；5、利用共濺射的方法製備了Co-Pd納米粒子組裝可以膜，少量強自旋軌道耦合Pd原子的加入會導致反常霍爾效應的大幅增強，並且Co-Pd顆粒膜的反常霍爾係數隨著Pd的含量以及測試溫度的變化均出現了變號，這主要是由於表面散射對反常霍爾效應的貢獻與界面散射的貢獻相反導致的。項目的研究結果為豐富和完善顆粒膜反常霍爾效應的理論體系具有重要的意義。