納米粒子裝配顆粒膜的巨霍爾效應研究

《納米粒子裝配顆粒膜的巨霍爾效應研究》是依託廈門大學，由王來森擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：納米粒子裝配顆粒膜的巨霍爾效應研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王來森
• 依託單位：廈門大學

項目摘要

顆粒膜中的巨霍爾效應因在磁性感測器、磁場探測器及新型霍爾器件等領域中的巨大套用前景，引起了極大的研究興趣。然而，顆粒膜是一個極其複雜的體系，其顆粒大小、粒徑分布、顆粒間距等眾多且相互制約的微結構因素，使顆粒膜體系的電磁輸運現象極其複雜，造成巨霍爾效應的產生機制尚不清晰。因此，發展一種可以獨立控制顆粒膜中顆粒大小、粒徑分布、顆粒間距的新的製備方法，對開展顆粒膜中巨霍爾效應的研究具有重大的學術價值。本項目利用實驗室自行研製的納米粒子束流複合沉積系統可單獨控制顆粒膜的顆粒大小、粒徑分布和顆粒間距的特點，將製備的Fe、Cu、Mo金屬納米粒子與磁控濺射製備的SiO2、ZnO薄膜在真空室中原位裝配到基片上，製備不同於常規顆粒膜體系的新型納米粒子裝配顆粒膜，並深入探討這種新型顆粒膜的微結構（如顆粒大小、粒徑分布、顆粒間距等）對物理特性和巨霍爾效應的影響規律，闡明顆粒膜巨霍效應的產生機制。

結題摘要

本項目聚焦在近年來在顆粒膜中發現的霍爾係數顯著增大的現象，針對傳統顆粒膜研究中難以獨立直接控制顆粒膜微結構參數的困難，力爭發展可以獨立地控制顆粒尺寸和顆粒間距等微結構參數的顆粒膜製備方法。並在此基礎上，系統研究顆粒膜微結構參數對顆粒膜霍爾係數的影響，闡明顆粒膜中霍爾係數反常增大的原因，發展與完善顆粒膜巨霍爾效應的相關理論。 項目通過對納米粒子束流複合沉積設備實驗參數的系統摸索，獲得了尺寸均一、粒徑可控的Fe、Cu和Ag納米粒子製備的相關資料。並通過在設備上合理安裝一個常規磁控濺射靶，對納米粒子在飛行途中原位複合絕緣介質層，實現了顆粒膜中顆粒尺寸和顆粒間距的獨立調控。進一步根據惰性氣體冷凝製備金屬納米粒子的原理，對常規磁控濺射設備進行了適當改進，使濺射出的氣相靶原子先與高密度的惰性氣體分子碰撞失去能量，冷凝形核並生長為納米糰簇，後與常規磁控靶濺射絕緣介質，以共沉積的方式組裝製備納米粒子裝配顆粒膜，初步實現納米粒子裝配顆粒膜顆粒間距的直接調控。通過系統研究非磁性Cu-ZnO、Mo-Al2O3顆粒膜粒徑大小、顆粒間距以及顆粒膜成分對樣品霍爾效應的影響，發現顆粒膜中霍爾係數增強來源於微結構引起的量子干涉效應。並通過與Co-ZnO和Fe磁性顆粒膜霍爾效應的對比，明確了磁性顆粒的反常霍爾效應對顆粒膜霍爾效應的影響，從實驗上證實了顆粒膜的存在巨霍爾效應。闡明了顆粒膜中反常霍爾效應標度關係偏離的根本原因，進一步發展與完善顆粒膜巨霍爾效應的相關理論，並找到了進一步提高霍爾係數的方法。最終在Cu體積比為0.59的Cu-ZnO顆粒膜中發現霍爾係數為3.2×10-8 m3/C，比純Cu的霍爾係數值增大超過3個數量級。而在Fe磁性顆粒膜中發現了反常霍爾係數高達Rs=2.4×10-8 Ω cm G-1，比純Fe增大了近4個數量級。嘗試發展雙磁性相顆粒膜的製備方法，探索通過微結構、磁性顆粒以及磁性絕緣介質三者的共同的增強作用進一步提高霍爾係數的可行性，並取得了一些有價值的初步研究結果。目前為止共發表論文7篇，申請發明專利1項，並參與編寫了《自旋電子學導論》第二章：“磁性顆粒膜中的巨磁電阻效應”。