（凝聚态物理专业论文）磁性氧化物单晶薄膜的磁特性研究.pdf

摘要 摘要 在过去的三十年问，固体电子学迅速发展，半导体和集成电路t 业已相当成熟，人们一 直梦想将磁性器件与半导体r 艺集成起来，形成磁电子学的新领域。因而磁性金属薄膜在半 导体衬底上的生长以及特性研究成为集成化磁电子学新器什的关键性应用基础研究，目前l e 受剑越米越多的重视。本论文以f e 。o 。单晶外延薄膜为主要研究对象，运用铁磁共振，结构、 磁性和电性测量等实验方法，对薄膜的电输运特性，磁各向异性，磁矩和阻尼因子进行了较 为系统的初步研究。研究内容包括以下几方面的内容： 1 外延的v e 3 0 4 薄膜是在半导体g a a s 上生长f e 薄膜后，5 0 0 k 温度中，5 x 1 0 - 5 n o a r 的氧气压下，原位热处理合成的，利用r h e e d 监控了生长的全过程。利川x r a y 来分析了这 种制各方法中薄膜的质鼋。分析证明我们得到的确实是单品的具有立方结构的f e 3 0 4 薄膜。 2 运j jv s m 研究f e ，仉样品的磁特性。我们测鼍显示随着样品厚度的增加，样品逐渐显 现出从超顺磁性剑铁磁性的变化。随着膜挣的增加样品的，其磁各项异性表现出从单轴为主， 伴随着立方各项异性的成分，以及立方各向异性的逐渐妖人到完全具有立方各向异性的过 程，样品的难轴和易轴发生了转变。 3 我们也测星了样品的电阻与温度的变化关系。并用波尔兹曼分布进行了模拟。确定 了1 5 0 k - - 3 0 0 k 温度段的激活能。 4 对生长在g a a s ( 1 0 0 ) 衬底上的单品f e 超薄膜的进行了铁磁共振线宽的研究，提出 了各向异性阻尼因子的表式，成功地拟合了实验数据，得到了各向异性的阻尼因子的值。其 中和s i n0 四次项有关的阻尼系数为负值这似乎和白旋的转移有联系。 5 对衬底为g a h s 外延生长的f e s g 单晶薄膜进行了铁磁共振( f 躲) ，发现了比较异常 的现象，利用理论模型对铁磁共振实验结果进行了模拟，计算了不同厚度的有效磁化强度， 回旋磁比及磁各向异性。并对模拟和计算的结果进行了讨论，指出了有待丁进一步研究的问 题。 6 研究了外延生长在g a a s 衬底上的f e 3 0 。单品薄膜的铁磁共振线宽的规律和机制。 同时也利用了g i l b e r t 衰减因子各向异性的经验公式，对实验数据进行成功的拟台。 关键词：f e ，0 4 ，外延生长，单晶薄膜，磁各向异性、磁化强度，铁磁共振、阻尼因子 东南大学硕十学位论文 a b s t r a c t i nt h el a s t t h i r t yy e a r s ，p e o p l ed r e a m e d t oc o m b i n em a g n e t i cd e v i c ew i t h s e m i c o n d u c t o rt e c h n i q u ea n dt of o r mt h en e wf i e l do fm a g n e t o e l e c t r o n i c sw i t ht h e d e v e l o p m e n to fs o l i de l e c t r o n i c sa n dt h em a t u r a t i o no ft e c h n i q u e so fs e m i c o n d u c t o r a n di ci n d u s t r y s os t u d i e so nt h eg r o w t ha n dp r o p e r t i e so fm a g n e t i ct h i nf i l mo n s e m i c o n d u c t o rs u b s t r a t eh a sb e c o m ek e yf u n d a m e n t a lr e s e a r c hf o r t h ei n t e g r a t en e w e l e c t r o n i c sd e v i c e i nt h i st h e s i s ，b yu s i n ge x p e r i m e n t a lm e t h o d ss u c ha sf m r ， m a g n e t i c a n de l e c t r i c sm e a s u r e m e n t ，s y s t e m a t i c a ls t u d i e sh a v e b e e nm a d eo n t r a n s p o r t ，m a g n e t i ca n i s o t r o p y , m a g n e t i cm o m e n ta n dd a m p i n gc o e f f i c i e n to f e p i t a x i a l s i n g l ec r y s t a l l i n e f e 3 0 4f i l m so ng a a s t h em a j o rr e s u l t sa r e s u m m a r i z e da s f o l l o w i n g ： 1 m o n i t o r e db yr h e e d ，t h ee p i t a x i a lf e 3 0 4t h i nf i l mi ss y n t h e s i z e db yi n s i t u p o s ta n n e a l i n ga tt h et e m p e r a t u r eo f5 0 0ka n dt h eo x y g e np r e s s u r eo f5 x 1 0 5m b a r a f t e rg r o w i n gf et h i nf i l mo ng a a ss u b s t r a t e t h eq u a l i t yo ft h et h i nf i l mp r e p a r e di n t h i sm e t h o dh a sa l s ob e e na n a l y z e db yx r a yd i f f r a c t i o n t h er e s u l tc o n f i r m st h a tt h e f e 3 0 4t h i nf i l mi st h ew e l ld e f i n e dc u b i cs i n g l ec r y s t a l l i n e 2 t h em a g n e t i cp r o p e r t i e so ft h ef e 3 0 4h a v eb e e nm e a s u r e db yv s m w i t ht h e t h i c k n e s s i n c r e a s i n g ，t h e v s mm e a s u r e m e n tr e v e a l e dt h ee v o l u t i o nf r o m s u p e r p a r a m a g n e t i s mt of e r r o m a g n e t i s m t h em a g n e t i ca n i s o t r o p ys h o w e dt h ep r o c e s s f r o mt h ed o m i n a n tu n i a x i a la n i s o t r o p ya n da c c o m p a n y i n gc u b i ca n i s o t r o p yt o b a s i c a l l yc u b i cs y m m e t r i c a la n i s o t r o p y t h ee a s ya n d h a r da x i sw a sa l s oc h a n g e d 3 。w ei n v e s t i g a t e dt h er e s i s t a n c eu s i n gm e a s u r e m e n t so ft h er e s i s t i v i t ya sa f u n c t i o no ft e m p e r a t u r e w ea l s om a d es i m u l a t i o nw i t hb o k z m a nf u n c t i o na n d d e t e r m i n e dt h ea c t i v a t i o ne n e r g ya tt h et e m p e r a t u r er a n g ef r o m1 5 0kt o3 0 0k 4 f m rl i n e w i d t hs t u d i e sw e r ep e r f o r m e do ns i n g l ec r y s t a l l i n ef eu l t r at h i nf i l m s e p i t a x i a l l yg r o w no n i i i vs e m i c o n d u c t o rg a a ss u b s t r a t e ( 1 0 0 ) w i t hd i f f e r e n t t h i c k n e s s i no r d e rt of i tt h ee x p e r i m e n t a la n g u l a rd e p e n d e n c eo ff m rl i n e w i d t ha n e x p r e s s i o n o fa n i s o t r o p i cd a m p i n gc o e f f i c i e n ti s p r o p o s e d i nf i t t i n g w i t ht h e 摘要 e x p e r i m e n t a la n g u l a rd e p e n d e n c eo ff m rl i n e w i d t ht h ed i f f e r e n tc o m p o n e n t so ft h e a n i s o t r o p i cd a m p i n g c o e f f i c i e n ta l ed e t e r m i n e d t h eg 2t e r mw i t hf o u r t ho r d e ro fs i n o i sa l w a y sn e g a t i v ew h i c hs e e l l l st ob ei m p l ys o m en e wm e c h a n i s mr e l a t e dw i t hs p i n t r a n s f e r 5 f m rs t u d i e sw e 化p e f f o m r a0 1 1s i n g l ec r y s t a l l i n ef e 3 0 4f l i n t se p i t a x m l l y g r o w no ni i i v s e m i c o n d u c t o rg a a s ( 1 0 0 ) s u b s t r a t ew i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s s a t h e o r e t i c a lm o d ef o rf i t t i n gf m re x p e r i m e n t a ld a t aw a se s t a b l i s h e d t h ep a r a m e t e r s s u c ha se f f e c t i v em a g n e t i z a t i o n , g y r o m a g n e t i cr a t i o 。gv a l u ea n dv a r i o u sa n i s o t r o p y c o n s t a n tw e r ed e t e r m i n e db yt h e o r e t i c a lf i t t i n g r e s u l t sa l ed i s c u s s e da n dq u e s t i o n s t h ed i r e c t i o n sf o rf u r t h e rs t u d i e s a r ep r o p o s e d 6 t h ed i s c i p l i n a r i a na n dm e c h a n i s mo ff m rl i n e w i d t ho fs i n g l ec r y s t a l l i n e f e 3 0 4f i l m se p i t a x i a l l yg r o w no ng a a ss u b s t r a t ew i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s sh a v eb e e n s t u d i e d b yg i l b e r te x p e r i e n t i a lf o r m u ho fa n i s o t r o p i cd a m p i n gc o e f f i c i e n t ，w em t h e e x p e r i m e n t a ld a t ao ff m r l i n e w i d t hw e l l k e yw o r d s ：f e 3 0 4 ，s i n g l ec r y s t a l l i n e ，u k r m h i nf i l m , m a g n e t i ca n i s o t r o p y , l i n e w i d t h f e r r o m a g n e t i cr e s o n a n c e ( f m r ) ， i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 锺j 左 导师签名：日期： 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近二十年，一个新的应州领域正在迅猛发展，即各种磁记录材料，磁体尺寸越来越小【l 】。 新的小尺度材料生长及测量技术的发展使制备和研究具有各种新颖磁现象的人r 纳米结构 成为可能。超薄膜、多层膜、纳米结构和超微粒材料的研究和应用已成为研究热点。特别是 在多层膜中发现巨磁电阻以来，以自旋相关导电为核心的新原理、新材料及器件迅猛发展， 开始形成一个新的学科磁电子学“。 白旋电子学有时被称为自旋电子学或者磁电子学，主要是指在器什和在电路的 设计中考虑了电子自旋的作h ；i 。例如在把磁性金属中的自旋注入到半导体材料中，自旋的传 导和输运不但是基础理论的研究课题，通过新颖的电子技术还证明了它的实际应用的满在价 值口】。下一代的器件义将会考虑剑电子自旋引入的新的自由度。人们将利用电子的自旋来取 代或者增加传导电子的自由度。纳米结构结合、卜导体中的白旋将给未来的器件带来更强的函 数功能，更快的速度，更低的能耗。 目前l e 是人规模信息和多媒体时代，飞速发展的各种电子信息的传输及处理与存储越来 越要求存储密度更高、速度更快、功耗更低、尺寸更小及重量更轻。磁电子学就在这样的研 究热潮中迅速发展着，同时不断的开拓其应用领域，成为了基础研究快速转化为生产的典范。 巨磁电阻传感器和硬磁盘读出头已于9 0 年代进入市场，从1 9 8 8 年在f e c r 多层膜中发现 巨磁电阻( g 躲) ，到1 9 9 5 年i b m 推出计算机硬盘g m r 磁头，只用了不到8 年的时间。特别 是巨磁电阻随机存储器m r a m ，美国资助金额达3 0 0 0 万美圆的重人国防项目s p i n t r o n i c s 已 在验收后宣布，以巨磁电阻器件为单元的m r a m 的存储密度，存取速度，价格均可与现在计 算机主内存d r a m 和s r a m 比较，且有断电不丢失信息和抗辐射等优点。数年后将可能占领市 场。 磁性传感器件与存储器等磁性器什都基于磁性薄膜，其中重要的基础研究问题有：当 薄膜j 宁度减小，直至几个原子厚的超薄膜时，其结构和磁性的研究；巨磁电阻效应及多层 膜的层间耦合；磁性合金与半导体的外延生长，白旋注入和磁性、 导体的发展；薄膜及图 形薄膜的各向异性及静态和动态磁化性能。 实验发现，当薄膜厚度减小直至超薄膜时，其结构，微结构和磁性将发生变化。如饱 和磁化强度，磁各向异性和回旋磁比等特性均可与大块材料不同。这种情况义依赖丁衬 底。为了使磁性器件能与半导体集成化，在、仁导体衬底上外延生长磁性薄膜十分重要。研 究薄膜性能的厚度依赖性和超薄膜在半导体上的外延生长过稃中超薄膜的生欧和其结构与 磁性的演化，既是发展小型化磁存储器和新兴磁电子学器件和磁电子器件集成化的重要问 题，又与铁磁性形成和山现的规律相关。因而具有重要的科学意义和应用意义。特别是半 金属材料中，自旋在费米面附近是1 0 0 极化。对丁：电流来说只有一个自旋通道，而且这 一通道是完全极化的。其作为白旋注入电极的满力引起了广泛的关注。 此外，小型化磁性器件的开关时间也是一个重要问题。其直接测苗需要超快速( 皮秒) 的磁场和测草设备。开关时间依赖于磁化动态过群，l a n d a u l i f s h i t s - g i i b e r t 方稃的阻尼 因子嘲，但阻尼网子依赖于频率，探索什么材料可用铁磁共振线宽推算阻尼因子以及如何间 接估计开关时间是一个有意义的研究。此外，应用r 高频、超高频及微波f 的磁性材料要 求损耗及阻尼因子低，而吸波材料等又要求阻尼因子高，所以阻尼闳子机制的研究十分重 东南大学硕士学位论文 要。 本论文的主要内容是磁性，电输运特性测荤以及铁磁共振为主要研究手段，研究对 外延于g a a s 上的不同峥度的单晶f 金属f e 3 0 4 薄膜磁性和电性的峥度依赖性。 下面我们首先对本论文涉及到的几个磁学概念进行讨论。 1 2 自发磁化与交换作用 本世纪初，w e i s s 7 ( 8 1 1 提出白发磁化的经典理论，假设铁磁性物质内部存在分子场， 能够在居里点以f 使原子磁矩有序的排列，在一个小区域内形成自发的饱和磁化，不同小区 域自发磁化强度的方向可以不同。这些自发磁化的小区匀称为磁畴。使原子磁矩平行排列的 分子场可达剑8 1 0 | a i ( 1 07 0 e ) j ，比磁矩的偶极相互作川高出3 个数量级，这么强的 分子场的产生经典理论无法解释。量子力学说明了分子场实质上是电子问的交换作用。在多 电子系统中，由于泡利原理和屯子不可分辨性，出现一个由于电子交换作用的附加静电作_ h j 项，称为交换作用能。交换作用的本质是多电子系统静电相互干r 用的草子效应，它影响电子 的白旋取向。静电性的交换作川是分子场的米源和本质。它是山现铁磁性、反铁磁性的根本 原因。 1 2 1 海森伯( h e i s e n b e r g ) 局域电子直接交换作用 经典的静电性相互作_ 【i j 不影响磁矩的取向，但晕子力学证明，静电性的交换作与电子 自旋的取向相关。海森伯首先将氢分子中发现的交换作川h j 于解释铁磁性的来源。冈它来自 相邻原子间的直接相互作用，故称为海森伯直接交换作川。d i r a c 将交换作用能表示为 9 1 ： e 。= - 2 。a s s ，( 1 2 - 1 ) l ( j 式中a i 为i ，j 原子的交换常数( 交换积分) ，s 。和s ，分别表示第功个原子的原子自旋角动黾 算符。当交换积分a 0 时，s 。s j ，近邻原子自旋磁矩平行排列为基态，材料甲现铁磁性。 如果交换积分为负值，近邻原子自旋反平行排列而呈现反铁磁性或研铁磁性。若两原子中有 一个原子含有满壳层的电子，其交换作h j 能为零。直接交换作用要求近邻原子波函数有交替。 1 2 2r k k y 交换作用( 金属中的间接交换作用) 磁有序金属主要有过度金属、稀十金属和它们的合金，而d - d 电子特别是f - f 电子处 于原子内层，其局域电子间的直接交换积分很小，不能解释金属中的磁有序现象。由 r u d e r m a n 、k i t t e l 、k a s u y a 和y o s i d a 1 0 l 发展形成了另一种交换作用的机制。即金属中的传导 电子作为中间媒介，使局域磁矩间产生间接交换作用( r k k y 交换作用) ，使金属具有磁有 序。目前，稀十金属被认为是r k k y 模犁最为适用的物质。在稀土金属中，4 f 电子处于原 子内层，波函数相当局域，几乎不存在交番，但义处丁二s 、p 屯子形成的传导电子的包围中。 1 2 3 巡游电子交换作用 过渡金属中有5 个磁有序金属，l e e 、c o ，n i 、m n 、c r ，以及大鼍的磁性合金，它们的 磁性起源及交换作用机制最复杂，迄今仍不能认为已研究清楚。对过渡族金属的交换作用的 2 第一章绪论 解释，历来有两种出发点及模型，即局域交换模型和巡游电子模酗，前者虽能成功的解释自 发磁化的起源。但对解释3 d 过渡金属原子磁矩表现为分数等事实却发生了困难，而巡游电 子模掣基于“集体电子论”的能带模型，则可给出合理的解释。d 电子参与传导，并存在着 费米面等实验事实使巡游电子模型日益成为主流。 1 2 4超交换作用、双交换作用等局域电子交换作用 存在丁：许多过渡元素氧化物及其他的非金属性化合物的一种间接交换作用，效果主要表 导致了反铁磁体、亚铁磁体及某些铁磁体。 磁性原子的交换作用产生白发磁化是物质强磁性的来源，交换作用的符号决定强磁性类 犁，交换积分的大小决定居里温度的高低，交换积分a 的值越丈，居里温度越高，磁性材 料的热稳定性越好。 交换作用导致了各种磁有序，在磁有序状态下的静态的自旋不平行微结构如畴壁及动态 的自旋波中交换作j j 均有重要作用。 1 3 磁各向异性 磁各向异性通常是指磁性材料的磁性如磁化曲线对磁化方向的依赖性，严格的定义，是 饱和磁化强度在不同方向能量不同旧。磁各向异性是在磁性薄膜的研究和应_ j 中带常重要 的基本磁特性之一。磁性薄膜中常见的各向异性一般包括磁晶各向异性、感生各向异性、磁 弹性各向异性、表( 界) 面各向异性、形状各向异性及单向各向异性等，以下做简单介绍。 1 3 1 磁晶各向异性 单晶体中原子排列的各向异性会导致许多物理，化学性能的各向异性，磁性也是其中之 一，称为磁品各向异性。正是由丁这种磁品各向异性存在，单晶体沿不同晶轴方向上磁化所 测得的磁化曲线和磁化到饱和的难易程度不同。我们通常把最容易磁化的品轴称为易磁化方 向，或易磁化轴，表明沿这个晶轴方向磁化到饱和能量最低；相反，把饱和磁化能管最高的 晶轴方向称为难磁化方向，或难磁化轴。 通常磁品各向异性能表示饱和磁化强度对于品轴的方向余弦的函数e k 。由丁：m s 反方向 时e k 不变，磁晶各向异性的数学表达式只有方向余弦的偶次项，f 服从晶体的对称性。 1 立方对称的磁品各向异性能可表示为： & = k o + k ( 口；+ 4 4 + 口3 2 “1 2 ) + x j 口1 2 2 2 n ；+ ( 1 3 - 0 其中杨，局，鲍为各级磁晶各向异性常数，杨为常数项，q 为m 。对与立方边重合的直角 坐标j y ，z 的方向余弦。 2 正方晶系的磁晶各向异性能可表示为： e k = r o + 墨s i n 2 0 + 墨s i n 4 口+ 玛s i n 4 口c o s 4 矿 ( 1 3 2 ) 其中杨，厨膨，肠为各级磁晶各向异性常数，为常数项，0 为m 。与正方z 轴的夹角 矿为m 。在x - y 平面内的投影与j 轴的夹角。 3 东南大学硕十学位论文 3 六角晶系的磁晶各向异性能可表示为： e x = r o + e ls i n 2 0 + 玩2s i n 4 0 + k 3s i n 6 口+ k 4s i n 6 0c o s 6 妒( 1 9 3 ) 其中杨局，航2 ，忍，凰4 为各级磁晶各向异性常数，杨为常数项，0 为m 。与六角轴z 的夹角，痧为m 。在x - y 平面内的投影与j 轴的夹角。 晶体中的难易磁化方向决定于局，局等的符号及大小，在立方晶系中，若只考虑为 项，当局 d 时，e m o o 晟小，【1 0 0 1 轴为易磁化方向，【1 1 1 】轴为难磁化方向，【1 1 0 l 介于二者 之间。k i o ，易磁化轴为z 轴；k t o 时， 应力方向为易轴；当冬盯 0 时易磁化方向沿膜 面法线，称为易法线各向异性；当k s 0 或k e n 0 依赖丁其中各种贡献的竞争。当k 痧o 时，易 磁化方向乖直丁膜面，将出现垂直磁化；反之，易轴将位丁膜面内。随后的许多实验都证实 了薄膜中界面磁各向异性的存在。 影响k s 大小的因素很多，除了材料本身内秉性质外，还与制备条件密切相关，其中包 括基底材料、b u f f e r 及c a p p i n g 层、温度控制、样品参数、制备手段、界面粗超度等。 1 4 形状各向异性 1 4 1 退磁场 非闭合磁路或有限几何尺寸的铁磁体，若被均 匀磁化，在其两端面上将会出现n 和s 磁极，图 1 1 是一个近似的示意图，表面磁极产生的磁场 h a 是从正极指向负极，方向与外磁场见及磁化强 度矢晕l f 的方向相反，因而有减退磁化的作用， 故称为遐磁场h a 。当然，退磁场胁不仅仅是表面 磁极产生的，还有体磁极的影响，其大小与铁磁体 的形状和未补偿的磁极的数值与分布有关。由丁磁 极是磁化强度产生的，所以退磁场与磁化强度有 关。 人们已经知道在均匀磁场中，椭球形铁磁体样 品能够被均匀磁化，其退磁场可以用 来描述，其中雨= i l 2 l j r , i 1 2 n n n n 日d = 一n m 4 - + + 4 - 4 - 图1 1 利用磁荷说明退磁场 ( 1 - 4 - 1 ) 是一个三阶张量。而对于非椭球铁磁体，磁化不均匀 不能用( 1 4 1 ) 来描述。只能用近似的理论计算某些非椭球形样品内退磁场分布。铁磁体在外 磁场作用下被磁化后，其内部的总磁场应当是外磁场风和退磁场h a 的矢量和。总的磁场疗， 表示为 h 。= h ，+ h a( 1 4 2 ) 总磁场日j 又可称为材料的内磁场或真实磁场。 无论对材料的实际应用或者磁性测晕，退磁场的影响都是邗常重要的。尤其是对于铁磁 体的内部磁畴结构的形成以及分布，退磁场的影响起了芙键作用，退磁场是铁磁体形成多畴 5 、1 心吆心 东南大学硕士学位论文 的根本原因。 1 4 2 退磁场能 铁磁体在它自身产生的退磁场中所具有的位能即为退磁场能。这与铁磁体在外磁场中的 位能相似，但退磁场能为白能，故有因子l ，2 ，退磁场能鼍密度为 1 一一 幺= 一亡肘日d( 1 4 3 ) 二 若退磁场h d = 一n m ，则： l e d = 去n m 2 ( i - 4 - 4 ) 二 式( 1 4 4 ) 的适用条件仍然是椭球形铁磁体在均匀的外磁场中被均匀磁亿。如果铁磁体不 是椭球体或不被均匀磁化，其内部的退磁场和磁化强度分布都不均匀【l q ，因此退磁场的表 示形式就不能h 】( 1 - 4 - 4 ) 式。根据静磁理论h j 数值方法可以计算某些1 f 椭球形样品的退磁场 【1 7 】。 1 4 3 形状各向异性 1 椭球体 由均匀材料制成的椭球体样品。如选取坐标轴x ，y ，z 与椭球体的三个主轴a ，b ，c 相 重合。均匀磁化强度肼沿三个主轴方向的分鼙为m x = m s i n 0c o s 纵m y = m s i n os i n 矾 m z = m c o s o ，对应于三个主轴方向的退磁因子为m ，m 、他。 椭球体的退磁场为 矾= 一( m 肘，7 + m 兰，了+ 以m z a 一一 ( 1 4 5 ) = 一肘( 1 ls i n o c o s 口i + 。s i n o s i n 妒j + n z c o s 0k ) 同时有：，+ n v + n ：= 切 退磁场能为： e d = 鼍t n 瑚j + n 渺j + n 渺：) ( 1 4 6 ) f 、 = t m2 ( ms i l l 2 口c o s 2 矿+ qs i n 2 0 s i n 2 妒+ z c o s 2 妒) 历为肘方向口和口的函数，称为形状各向异性能。 2 球状磁体 球状磁体是椭球的特殊情况，c g s 制中，球状磁体的退磁因子为 m = y = n ：= 竿，则退磁场为： 矾= 一等丽( i - 4 - 7 ) j 退磁能为： 6 第一章绪论 日一2 3 1 ( 、m ，2 + 肘，2 + m z 2 ) = 2 3 - m 2 ( 1 4 8 ) 为各向同性的。 3 无限大的薄片或薄膜 无限大的薄片可以近似看成为一个扁椭球，如果其厚度方向为z 方向的话，其退磁 因子为n ，= n ，= 0 , n 。= 4 n ，取口为法线方向，则退磁场能为： e = 幼肘j = 幼肘c o s 20( i - 4 - 9 ) 平面为易磁化方向，法线方向为难磁化方向。 由此可见，在均匀磁化下，铁磁体的退磁能e d 与铁磁体的退磁因子n 和磁化方向有关。 对于不同的彤状，或沿其不同方向磁化时，相麻的退磁场能不同。这种因形状不同引起的能 阜各向异性称为形状各向异性。形状各向异性能仅只随磁体形状变化而改变，与材料本身的 性质无关，但是对铁磁体材料的宏观磁特性的影响是十分大的。对于非椭球样品，由于退磁 场与磁化不均匀，( 1 4 7 ) 至( 1 4 - 9 ) 式只能在近似的情况f 适用。 1 5 自旋材料 自旋电子学是一门非常年轻的学科，很难准确地预测它的发展。它的未来取决丁我们将 能合成出怎样的材料。新的物理机理仍在探索，新的材料仍在合成。如稀磁半导体材料 ( d i l u t e dm a g n e t i cs e m i c o n d u c t o r s ) 和新的氧化物；半金属材料、半金属h e u s l e r 合金、二fh e u s l e r 合金。 磁性半导体材料是在、p 导体材料中掺杂磁性金属原子并能在特定的温度t c 下制备成铁 磁体的材料，利h j 半导体直接和具有非扦发特性的磁性材料相结合，这些材料容易集成入集 成电路，对白旋载流子前常灵敏，并具有满意的铁磁性，必定能成为未来自旋电子科技的材 料基础。 半金属材料如：f e 3 0 4 ，c r 0 2 ，l a 0 7 0 s r o3 0 m n 0 3 ( l s m o ) 以及h e u s l e r 合金如：n i m n s b 由 于其在费米面附近具有很高的自旋极化，在为自旋注入领域引起了广泛的关注。尤其是、r 金 属材料，自旋在费米面附近是1 0 0 极化率。对于电流来说只有一个自旋通道，而且这一通 道是完全极化的。如果在适当的衬底上制各出有良甜结构和明显的界面的半金属，那么成功 的自旋注入是可以实现的。 并不是所有的h e u s l e r 合金都是半金属，对于半导体衬底来说它们有着相同的能带结构， 这有利丁自旋注入。利用现有的技术验证材料的半金属特性是很困难的。由于表面的和缺陷 的影响，导致不同实验的测茸结果并不完全的重复。理论计算成为了这种探索的主要手段。 同时实验研究将成为实际应用的先驱。 1 5 1 半金属材料的能带 半金属材料有着不平常的电子结构。在这种材料中，具有两个不同的子能带，其中一个， 具有某个自旋( 自旋向上或向下) 的电子就像金属中的电子一样，具有不满的导带和费米面； 而另一个自旋相反的电子子能带就像半导体或绝缘体那样，具有能隙，导带为空的能带。换 句话说就是在费米面的附近只有自旋向上的或者是自旋向卜的电子，如图1 2 所示。很明显 这种理想的臼旋极化在费米面附近是1 0 0 。因此当需要自旋源材料时，自旋可以通过这种 7 东南大学硕十学位论文 1 0 0 白旋通道进行注入 当1 9 8 3 年g r o o t 和他的合作者提出 半金属铁磁体这个概念后，由于其在自 旋注入和探测的满应用价值，引起了广 泛的关注。除了最初的n i m n s b ，其它以 x y z 形式出现的半h e u s l e r 合金如： p t m n s b u n i s n 也被证明为半金属。金 红石结构的c r 0 2 和钙钛矿结构的 l a h s h m n 0 3 和s r 2 f e m n 0 6 被报道为 另一种二f 金属铁磁体。半金属的铁氧体 材料包括f e 3 0 4 和f e m n s b ，而反铁磁 半金属材料包括c r m n s b ，l a 2 v m n 0 6 和l a 2 v c u 0 6 口最近一些具有闪锌矿结构 的稀磁半导体材料( d m s s ) 也体现出半金 属特性。 1 5 2f e 3 0 4 晶格结构 e j j i o a 剐i 乜 e f j f 1 v b 1) l 1 2 c v e r f l 图1 2 ( a ) t c 温度下半导体能态密度不意图( b ) 为半金属铁磁 体0 0 2 示意图 f e 。0 。及其派生的铁氧体具有和尖晶石( m g a l ：仉) 同犁的晶体结构，属于立方晶系。尖晶l i 的晶 格是一个较复杂的面心立方结构，每一晶脑容 纳2 4 个阳离子和3 2 个氧离子，阳离子分布 在二种不同的晶格位置上，以品格常数a 为单 位，如图1 3 。为了更清楚地了解a 位和b 位 的几何性质，在图1 4 中将品胞分成8 个边长 为二的立方分区，并且只画出其中二个相邻的 2 分区中的离子其余6 个分区中的离子分布可 以通过。三三，三。三，三三。的平移推出因 222222 之，凡只共有一边的两分区有相同的离子分 布，而共有一面或只共有一个顶点的两分区内 的离子分布不同。在图1 3 中可以看出氧离子 构成密集的面心格子体积比氧离子小得多的 阳离子嵌镶在氧离子之间的空隙里每一个占 a 有位的刚离子处在被四个互为最近邻的氧位 的互相联线所成的正四面体中心，而每一个占 据b 位的刚离子处在被六个互为最近邻的氧 位互相联线所成的正八面体中心因之a 位和 b 位常被更明确地叫做四面体位置和八面体位 置占二二二( 1 3 图中左上分区的体心位置) 444 的阳离子就在占据三8 三8 皇8 ，吾；言，；吾， 8 图i 3 尖晶石结构( 图巾白球代表阳离子，黑球 a 位上阳离子，有叉线的球代表b 位上阳离子 一a f e ( 一( 日 g o 图1 4 尖品石晶胞的一部分 第一章绪论 吾；吾的氧离子的四面体间隙里；而在右上分区内占罢善詈的阳离子占据了詈善鲁，罢詈吾， 一3 66 ，76 6 ，一6 = 3 = 5 ，拿三皇的氧离子的八向体间隙。在u 比；略大的情况下，a 位的 8888888 888888 周围间隙变大，仍保持正四面体的对称 b 位的周围空隙缩小，不再保持上e 八面体的对称每 一晶胞中有6 4 个四面体间隙和3 2 个八面体间隙，而被刚离子占据的a 位只有8 个b 位只 有1 6 个，总共仅为间隙的l 4 在有的晶体中，结构上的缺陷是几乎必然存在的，少数a 或b 位末被刚离子山据，或相反地有少数氧位空出，都不是十分例外的情形铁氧体成分中 过渡族元素只有多价倾向是有利丁这一缺陷的出现的此外少数阳窝丁出现在a 和b 位以外 的间隙里的可能也还不能完全否定，也可能与这些晶体不完整结构有关。八面体位沿着 方向，磁铁矿的晶格常数为0 8 3 9 6 n m ，而磁赤铁矿的品格常数为o 8 3 5 2 n m “。 更详细的来讲，磁铁矿为铁氧体材料，其居里温度t c 为8 5 8 k ，磁性来源于f e 离子的 局域的磁矩。a 位和b 位格子通过超交换作州反铁磁耦合，每一个f e 3 0 4 单元有人约4 i l b 的净磁矩。这是b 位上的f c “离子提供的，而5 的f e ”离子在a 位和b 位上互相相反所 以抵消掉了。在许多的衬底上如a 1 2 0 h m g o 和p “1 1 1 ) ，c u 和f e ( 1 1 0 ) ，我们通过m b e ， p l d 和m s 可以生长这种薄膜。通常情况下只有f e o 和f e 3 0 4 容易在0 2 气氛的高真空环 境f 制备。而a - f e ：2 0 3 和r f c 2 哂只能在更高的气压下制备( 1 0 - 3t o n ) ”。室温下f e o 和f e 2 0 3 都是绝缘体，而f e 3 0 4 是导体，其单晶体电阻率为1 9 0n n m ，而多晶和压制的粉末 的电阻率分别为：3 5 0 a n d 5 0 0 m q m ( 1 0 r 6 f t m ) 1 2 0 。这些值依赖于温度，在1 2 0 k 附近有v e e y 相变，也就是金属绝缘体相变。这是因为在b 伉f e “和f e ”离子间的电子都被冻结，导致 导电率减小了两个数龌级。 冈为其是半金属材料，所以应该会有比较丈的磁电阻。而实际上测最的室温下的电阻大 约只有一2 - 3 。可能有三个原因导致了这样的缔果，一个是绝缘层的缺陷，二是磁层的失效 或者是界面上有过多的缺陷，三是混乱的白旋导致没有明显的界面和表面。 1 5 3 f e 3 0 4 的w e r v e y 低温相变 在较高的温度下，每一晶胞里的16 个b 位上有8 个f e ”和8 个f e “，它们之间的 分布是无规则的，也可以看作是1 6 个f e “公有8 个不同定地从属于任何一个f e “的电子。f e s o 一 在室温下的实测电阻率约为1 0 。欧姆厘米，比 一船铁氧体的电阻串低4 1 2 个数草级。这一著别 被公认为是由于电子在离子问可以较自由地移动 所引起，是二价和三价的f e 离子的同时存在的结 果。早在1 9 3 2 年，李庆贤“1 在以f e 。仉的天然单晶 作为样晶的实验中已经观察剑：在1 1 5 k 以f ，f e 3 0 4 的磁各向异性低于原有的立方对称后来，根据电 阻率与此同时有二个数量级的骤然增加( | 耋 i 5 ) 0 1 ，费尔魏( w e r v e y ) ”主张这一转变是原 在较高温度f 为b 位f e 离子所公有的8 个电子， 转变成为有序地从属于8 个f e 离子的结果；只必 然导致电阻率的增加。他认为，各个八面体中心的 ( 0 0 1 ) 层上交互的出现f e ”和f e ”；一层上是f e s + 9 图1 5f e ，o , 在有序转变点附近的电阻随 温度变化曲线 而次一层上便是f e “。即 东南大学硕十学位论文 f e “十：吾吾言，鲁吾吾，吾吾专，罟鲁吾，吾丢暑，鲁吾善，特鲁，吾罟吾； f 一十：詈鲁署，善器，百1 百7 百5 ，吾吉吾，器詈，吾营詈，鲁罟罟，吾器 这一分布使f e s 0 4 失去原有的立方对称而成为正交对称( 1 0 0 1 】【1j 0 1 1 1 0 ) 成为新的l e 交 品轴) 。x 射线衍射实验后来完全证实了他所预见的对称性这一现象事实上就是电子在晶 格上的有序一无序转变，可用f e & ：；+ 仉f e f e z + f e * 0 4 ，一来表达 1 6 本论文的工作 本论文以f e 。0 4 薄膜为主要研究对象，以铁磁共振实验方法为土，辅以结构、磁性和电 性等测茸，对薄膜的磁性各向异性和阻尼进行了较为系统的初步研究。研究内容包括以下几 方面的内容： 1 外延的f e 3 0 4 薄膜是在半导体g a a s 上生长f e 薄膜后，5 0 0k 温度中。5 1 0 。m b a r 的氧气压f ，原位热处理合成的，利_ h jr h e e d 监控监控了生长的全过程。利用x - r a y 来分析 了这种制备方法中，f e ，仉薄膜的质鼍。 2 运用v s h 研究f e 。0 4 样品的磁特性。我们测最显示随着样品厚度的增加，样品逐渐显 现出超顺磁性，铁磁性的变化。随着膜厚的增加样品的立方结构的完善，样品的难轴和易轴 发生了转变。 3 为了研究样品的结构相变，我们还测量了样品的电阻与温度的变化关系。并用波尔 兹曼分布进行了模拟。确定相变的存在。 4 对生长在g a a s ( 1 0 0 ) 衬底上的单品f e 超薄膜的进行了铁磁共振线宽的研究，提出 了各向异性阻尼因子的表式，成功地拟合了实验数据，得到了各向异性的阻尼囚子的值。其 中和s i n q 四次项有关的阻尼系数为负值，这似乎和自旋的转移有联系。 5 对衬底为g a a s 外五正生长的f e ，0 4 单品菏膜进行了铁磁共振( f 躲) ，发现了比较异常 的现象，利用理论模犁对铁磁共振实验结果进行了模拟，计算了不同挣度的有效磁化强度， 回旋磁比及磁各向异性。并对模拟和计算的结果进行了讨论，指出了有待于进一步研究的问 题。 6 研究了外延生长在g a a s 衬底上的