多晶Fe-,3-O-,4-薄膜及其復(fù)合結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)、磁性質(zhì)和輸運(yùn)特性.pdf

1、隧道型磁電阻(TMR)來源于顆粒薄膜中的鐵磁顆粒或者是隧道結(jié)中的鐵磁性電極間的自旋相關(guān)隧穿效應(yīng),并與隧穿電子的自旋極化率成正比,因此人們一直在致力于尋找具有高自旋極化率的材料.半金屬材料中的輸運(yùn)電子具有100﹪的自旋極化率,是比較有希望在自旋屯子學(xué)器件上得到應(yīng)用的自旋注入材料.在幾種類型的半金屬材料中,由于Fe<,3>O<,4>具有高居里溫度、低沉積溫度以及可以超薄成膜等優(yōu)點(diǎn),更成為近年來自旋電子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一. 本論文采

2、用對(duì)向靶直流反應(yīng)濺射法制備了多晶Fe<,3>O<,4>薄膜、Fe<,3>O<,4>/Al(Mo)雙層膜和Zn、Mn摻雜的Fe<,3>O<,4>薄膜,對(duì)它們的微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)成份、電阻率、磁電阻、磁學(xué)性能以及霍爾效應(yīng)等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究. 在基底不加熱的條件下,用對(duì)向靶反應(yīng)濺射法在氨氣和氧氣的混合氣氛中制備了多晶Fe<,3>O<,4>薄膜.結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)薄膜中晶粒呈柱狀生長(zhǎng),大小均勻.室溫下多晶Fe<,3>O<,4>薄膜在50 kOe的

3、磁場(chǎng)下磁化強(qiáng)度為296 emu/cm<'3>,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于塊體材料的飽和磁化強(qiáng)度值(471 emu/cm<'3>),而且沒有達(dá)到飽和.低溫下,帶場(chǎng)冷卻的磁滯回線有交換偏置現(xiàn)象,但當(dāng)溫度升高到200 K左右時(shí)交換偏置消失.在外場(chǎng)為90kOe的磁場(chǎng)下,薄膜的磁電阻仍然不飽和,在80 K達(dá)到-11.7﹪.隨著溫度的升高磁電阻降低,室溫時(shí)仍然能達(dá)到-7.4﹪,是目前已報(bào)道的較大的磁電阻值.在多晶Fe<,3>O<,4>薄膜中存在大量的反相邊界(APB

4、).由于APB的出現(xiàn),薄膜中存在強(qiáng)反鐵磁耦合,導(dǎo)致薄膜的磁化強(qiáng)度降低、低溫下出現(xiàn)交換偏置現(xiàn)象和比較顯著的磁電阻效應(yīng).研究發(fā)現(xiàn)多晶Fe<,3>O<,4>薄膜中電子的的輸運(yùn)機(jī)制為相鄰顆粒間的隧穿效應(yīng). 在Fe<,3>O<,4>/Al(Mo)雙層膜中同F(xiàn)e<,3>O<,4>多晶膜相比發(fā)現(xiàn)了磁性增大現(xiàn)象.對(duì)Fe<,3>O<,4>(300 nm)/Al雙層膜,30 nm厚的Al襯層可以使磁化強(qiáng)度達(dá)到450 emu/cm<'3>,幾乎接近塊

5、體值,而隨著襯層厚度的增加,磁化強(qiáng)度基本穩(wěn)定在該值附近.對(duì)Fe<,3>O<,4>/Mo雙層膜,磁性增加的效果不如Fe<,3>O<,4>/AI雙層膜顯著,30 nm厚的Mo襯層使雙層膜中的磁化強(qiáng)度增加到422 emu/cm<'3>,這是因?yàn)樵贔e<,3>O<,4>/Mo雙層膜中出現(xiàn)了反鐵磁性的Fe<,2>(MoO<,4>)<,3>.對(duì)于雙層膜來說,低溫帶場(chǎng)冷卻磁滯回線的測(cè)量中發(fā)現(xiàn)了交換偏置場(chǎng)的大小明顯低于單層膜.通過對(duì)磁性增大的物理機(jī)制進(jìn)

6、行研究發(fā)現(xiàn),金屬襯層顯著抑制了薄膜沉積過程中結(jié)構(gòu)缺陷和界面非晶層的形成,從而使多晶Fe<,3>O<,4>薄膜的飽和磁化強(qiáng)度增大. 用反應(yīng)濺射法在多晶Fe<,3>O<,4>薄膜中進(jìn)行了第三種元素?fù)诫s,通過常溫磁滯回線的測(cè)量發(fā)現(xiàn)摻雜使磁性減弱.在Zn<,x>Fe<,3-x>O<,4>薄膜中,隨著摻雜量在0.075到0.19之間逐漸升高,其室溫磁化強(qiáng)度(在H=50kOe的外場(chǎng)下)從216emu/cm<'3>升高250emu/cm<'3

7、>；對(duì)于MnxFe<,3-x>O<,4>薄膜來說,摻雜量從0.79逐漸升高到1.51,在同樣的條件下的室溫磁化強(qiáng)度從240 emu/cm<'3>升高到287 emu/cm<'3>,但是摻雜樣品的磁化強(qiáng)度仍然要低于未摻雜的樣品的磁化強(qiáng)度.對(duì)于Zn<,x>Fe<,3-x>O<,4>和Mn<,x>Fe<,3-x>O<,4>多晶薄膜來說,低溫帶場(chǎng)冷卻磁滯回線的測(cè)量中都發(fā)現(xiàn)了存在交換偏置現(xiàn)象,原因是顆粒外部存在自旋無序的磁結(jié)構(gòu).另外,對(duì)Zn<,x