磁性金屬—碳氮顆粒薄膜的磁電阻效應研究

《磁性金屬—碳氮顆粒薄膜的磁電阻效應研究》是依託天津理工大學，由王曉奼擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：磁性金屬—碳氮顆粒薄膜的磁電阻效應研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王曉奼
• 依託單位：天津理工大學

項目摘要

由磁性金屬和非磁性母體構成的顆粒薄膜體系中的磁電阻現象是近年來納米材料科學和凝聚態物理學領域最為活躍的研究課題之一。目前，顆粒膜中出現了豐富的磁電阻效應，但其物理機制並不清楚。本課題提出以導電性可變且可控的碳氮材料為母體，研究磁性金屬-碳氮顆粒薄膜的磁電阻效應；本課題的前期工作已在碳氮磁性顆粒薄膜中發現低溫磁電阻顯著增強效應，在3 K下最大磁電阻值高達-59%,且磁電阻值隨溫度成特殊的變化關係，現有理論無法給出合理的解釋。在實驗上，通過最佳化實驗條件，調控樣品中母體的導電性、顆粒尺寸、表面（界面）情況等，進一步提高樣品的磁電阻值，總結出該體系中磁電阻的變化規律，揭示影響樣品中磁電阻效應的關鍵影響因素。在理論上，考慮影響該體系中磁電阻效應的主要因素，通過定量或半定量的理論模型，解明碳氮基磁性顆粒薄膜中磁電阻效應及其變化規律的內在機制，為自旋電子學的發展提供基礎依據。

結題摘要

本項目在前期工作的基礎上，採用磁控濺射法製備了鐵磁性金屬-碳氮顆粒薄膜、鐵磁性金屬-氮化物複合薄膜、鐵磁性金屬-氧化物半導體非均勻複合薄膜、以及鐵磁性金屬-碳氮顆粒薄膜/單晶矽異質結構，並對這些樣品的結構、磁性和電輸運特性進行了系統的研究。得到以下主要研究結果： 1、在室溫下採用共濺射法製備了系列過渡族金屬-碳氮顆粒薄膜。在磁性金屬(Fe、Co、Ni)碳氮顆粒薄膜中觀察到了自旋相關的低溫磁電阻顯著增強現象，磁電阻在3 K和90 kOe的磁場下可以達到–59%。磁電阻隨外加磁場呈現弱飽和現象；當溫度高於20 K，磁電阻都接近於0；低於20 K時，磁電阻隨溫度的降低而急劇增大，滿足指數變化關係。基於高階隧穿模型，考慮新的自旋極化率隨溫度的變化關係P=P0exp(-βTα)，我們解明了低溫磁電阻增強現象的物理機制。 2、採用共濺射法製備了Fe-Al-N、Cr-Ti-N、Fe-Ti-N和Mn-Ti-N複合薄膜，對其結構、磁性和電輸運特性進行了詳細的測量與分析。在Fe-Al-N和Cr-Ti-N複合薄膜中發現了低溫磁電阻隨著溫度的降低呈指數規律增大，通過理論擬合得到的自旋極化率同樣滿足P=P0exp(-βTα)關係。在Fe-Ti-N和Mn-Ti-N複合薄膜中，發現晶粒界面效應誘導的鐵磁性，但是並沒有觀察到大的磁電阻效應。 3、採用共濺射法製備了Fe-Ti-O和Co-Ti-O非均勻薄膜，對其結構、磁性和電輸運特性進行了詳細的研究，發現-8%的室溫磁電阻效應和大的低溫磁電阻效應。低溫磁電阻效應的提高應該與反鐵磁耦合的無序磁矩有關。 4、採用磁控濺射法製備了鐵磁性金屬-碳氮顆粒薄膜/單晶矽異質結構，並對其通過界面的電子輸運特性進行了詳細的分析。在反向電流區域出現的正磁電阻是由於形成了自旋極化勢壘，溫度依賴的磁電阻出現峰值，這進一步驗證了該結論。電流正向區域出現的正磁電阻達到了~90 %，這可能與低溫下R-I曲線在0.01 mA附近出現的峰有關係。 研究成果在Applied Physics Express、Journal of Alloys and Compounds、Materials Research Bulletion等SCI收錄的學術期刊上發表學術論文9篇；授權發明專利3項；畢業碩士生1人，在學4人；獲天津市自然科學二等獎一項(第三完成人)；出版教材一部（本人完成17萬字）。