（材料物理与化学专业论文）lasrmno掺杂及复合材料结构和磁电输运性质研究.pdf

摘要 摘要 锰氧化物是一种重要的功能材料，从1 9 5 0 年到现在对这种材料的研究一 直引起研究人员的强烈兴趣。从1 9 5 0 年到1 9 9 0 年主要集中在二价离子掺杂的 性能上，主要研究它的铁磁金属性能，在二价离子掺杂浓度为1 3 时，铁磁金 属性能最好，并提出了双交换模型对此性能作了深入阐述。从1 9 9 0 年开始到现 在在锰氧化物中发现了巨磁电阻效应、晶界效应和磁热效应再次掀起了这种材 料的研究热潮。这种材料有望在硬盘读出磁头和室温磁制冷等领域显示巨大应 用前景。 l a 2 3 s r l 3 m n 0 3 ( l s m o ) 化合物的铁磁金属一顺磁绝缘的居里转变温度在3 6 0 k 左右，高于室温，是一种非常有希望能走向应用的材料。但目前这种材料面对 许多技术难题，室温的磁电阻效应太小：所需要的外加磁场过大，达到几个特 斯拉；低场下的磁电阻值很低，对低场的磁电输运机理还不是很深入。本论文 对二价z n 离子掺杂取代l a 位的结构和磁电输运性能进行了研究。在 l a e 3 s r l 3 m n 0 3 化合物基体中引入不同功能的材料，例如铁电b a t i 0 3 ，不同禁带 宽度的半导体( c u o ，z n 0 ，a 1 2 0 3 ) ，具有铁磁绝缘性能的铁氧体等等，研究其不 同功能的材料的耦合效应及对自旋相关散射和隧穿效应的影响，得到以下有意 义的结果并且对其中机理作了深入阐述： 1 、z n m n 0 3 具有尖晶石型结构，用z n 部分取代l a 位，结果表明l a l x z n x m n 0 3 具有钙钛矿型结构，但在z n 掺杂浓度为1 3 时，电阻率最小，磁电阻值很低。 如果固定m r 1 3 + m n 4 + 比为2 ：l ，即保持l a 位浓度不变，而用z n 2 + 部分取代s r 2 + ， 研究发现替代后保持钙钛矿型结构，居里温度下降，居里转变点附近的磁电阻 值升高。这说明z n 2 + 取代s r 2 + 是提高室温磁电阻的重要手段。 2 、在l a 2 3 s r l 3 m n 0 3 ( l s m o ) 化合物中引入不同浓度的b a t i 0 3 ( b t o ) ，研究 结果表明：在复合材料中存在l s m o l s m o 和l s m o b t o l s m o 两种晶界。随 着掺杂浓度升高，电阻率增大，在5 m 0 1 掺杂浓度，电阻率升高了两个数量级。 如果制备b a l a ( 0 3 5 m o i ) t i 0 3 ，部分b a 被三价l a 取代，从而降低了晶界势垒， 结果电阻率降低了一半。这些结果表明l s m o b t o l s m o 结构主导着 l s m o b t o 复合材料的磁电输运性质。在5 t 磁场下，低温下电阻率下降很大是 由于自旋电子隧穿绝缘晶界引起，而高温下电阻率在5 t 磁场下降低很少是由于 摘要 高温下自旋电子热隧穿绝缘晶界引起。掺b t o 的磁电阻随温度变化表现出与l s m o 化合物不同的行为。磁电阻随温度增加而单调降低。随掺杂浓度增大，低温下 的磁电阻增大而高温下磁电阻 3 、降低。磁电阻随磁场关系变化表明在低温下掺杂浓度增大，低场下的磁 电阻降低，而高磁场下的磁电阻增大。 3 用水热法制备了b a t i 0 3 粉体。研究表明b a t i 比和水热反应的碱性对水 热反应的产物有很大影响。b a t i 比越大，碱性越强越有利于水热反应。用这种 反应制备的粉末掺入到l s m o 中，发现掺杂浓度为2 0 时，室温电阻率依然很小。 4 在l s m o 中掺入相同摩尔比3 3 m 0 1 不同禁带宽度的c u o 、z n o 和a 1 2 0 3 氧 化物。研究发现掺入c u o 和z n o 的复合材料电阻率随温度变化出现了两个峰， 高温的电阻率最大值与l s m o 的最大电阻率接近，且电阻率峰所对应的温度与 l s m o 的居里点相近。低温的电阻率峰比较宽，在2 5 5 k 左右。而l s m o o 3 3 a 1 2 0 3 复合材料的电阻率在2 0 0 4 0 0 k 随温度升高而下降。在2 0 0 k 的电阻率比l s m o 化 合物的电阻率增大两个数量级。l s m o 0 3 3 c u 0 和l s m o o 3 3 z n o 的磁电阻随温度 的变化与l s m o 化合物基本相似，而l s m o o 3 3 a 1 2 0 3 的磁电阻随温度的升高而下 降。这些结果表明l s m o 第二相l s m o 结构的势垒决定着复合材料的磁电输运性 质。z n o 虽然室温下的禁带宽度为3 3 0 e v ，但在烧结时容易分解产生z n 间隙和 o 空位，c u o 的禁带宽度比较低( 1 1 e v ) ，使得载流子可以越过势垒而导电，高 温下第二相是导通的。而a 1 2 0 3 禁带宽度比较高，所以对载流子的势垒散射较强。 在5 t 高磁场下载流子在低温下可以自旋极化隧穿绝缘相，而高温下载流子热隧 穿绝缘相导致磁电阻很小。 5l s m o 具有软磁性，在l s m o 中掺入l v l n o s z n o 5 f e 2 0 4 ( m z f ) 软磁绝缘和 b a o 6 f e 2 0 3 ( b a m ) 硬磁绝缘相，一方面磁性晶粒之间存在磁性耦合，另一方面存 在自旋极化的散射和隧穿效应，磁性耦合必然对这种自旋极化散射和隧穿效应 产生影响。m z f 加入到l s m o 材料中磁化强度降低，同时电阻率增大，在5 t 高磁场下低温电阻率降低很大。磁电阻随温度升高而降低。b a m 掺入到l s m o 中后，复合材料的磁性表现为硬磁性，电阻率急剧升高。这些结果表明硬磁b a l v l 对软磁晶粒和自旋极化载流子具有强烈的钉扎作用。 关键词：锰氧化物；复合材料；磁电阻；自旋相关散射和隧穿效应；磁性耦合 m a b s t r a c t a b s t r a c t m a n g a n i t e sa r eak i n do fi m p o r t a n tf u n c t i o n a lm a t e r i a lw h i c hh a sa l w a y ss t i m u l a t e ds t r o n g i n t e r e s t sf r o m19 5 0 s f r o m19 5 0t o19 9 0 ，m o s tr e s e a r c h e sh a db e e nf o c u s e do nt h em a g n e t i ca n d e l e c t r i c a lp r o p e r t i e so fd i v a l e n tc a t i o nd o p e dm a n g a n e s eo x i d e s t h em a t e r i a lh a st h es t r o n g e s t f e r r o m a g n e t i ca n dm e t a l l i cp r o p e r t i e sa tt h e3 3 d o p i n gl e v e l ，w h i c hh a db e e ne l u c i d a t e db yt h e d o u b l ee x c h a n g em o d e lw h e r et h ec a r d e r sh o pt h r o u g hn e i g h b o r i n gm n 3 + a n dm i o nw i t h s t r o n gh u n dc o u p l i n g f r o m19 9 0 s ，s o m en e we f f e c t ss u c ha sc o l o s s a lm a g n e t o r e s i s t a n c ee f f e c t , g r a i n b o u n d a r ye f f e c ta n dm a g n e t o c a l o r i ce f f e c th a v et r i g g e r e dn e wi n c r e a s i n gs u r g e t h e m a t e r i a l sw i l ls h o wl a r g e ra p p l y i n gp r o s p e c ti nt h ef i e l d ss u c ha sh a r dd i s ch e a d - r e a d i n ga n d r o o m - t e m p e r a t u r er e f r i g e r a t i o n 3 s r l 3 m n 0 3 ( l s m o ) c o m p o u n dt h a te x h i b i t sap a r a m a g n e t i ci n s u l a t o rt of e r r o m a g n e t i c m e t a l l i ca r o u n d3 6 0 ka b o v er o o mt e m p e r a t u r e ，h a sap r o s p e c ti na p p l i c a t i o n t h em a t e r i a l ， h o w e v e r ，i sc h a l l e n g i n gm a n yr e s e a r c h e r si nm a n yf i e l d si n c l u d i n gt o ol o wr o o m t e m p e r a t u r e m a g n e t o r e s i s t a n c e ，t o oh i g h e x t e r n a l f i e l d ( s e v e r a lt e s l a ) a n dt o ol o wl o w f i e l d m a g n e t o r e s i s t a n c e t h er e l a t e dm a g n e t o t r a n s p o r tm e c h a n i s mr e m a i n so b s c u r e i nt h i sp a p e r , t h ee f f e c to fd i v a l e n tz n 2 + s u b s t i t u t i o nf o rl as i t eo nt h es t r u c t u r ea n dm a g n e t o t r a n s p o r t p r o p e r t i e sh a sb e e ni n v e s t i g a t e d m o r e o v e r d i f f e r e n tf u n c t i o n a lm a t e r i a l si n c l u d i n gf e r r o e l e c t r i c b a t i 0 3 ，s e m i c o n d u c t i n gm a t e r i a l sw i t hd i f f e r e n tb a n d g a p ( c u o ，z n o ，a 1 2 0 3 ) ，f e r r i t ew i t h f e r r o m a g n e t i ci n s u l a t o rs u c ha ss o i l - m a g n e t i cf e r r i t ea n dh a r d - m a g n e t i cf e r r i t e ，h a v e b e e n i n c o r p o r a t e di n t ol s m om a t r i xt oi n v e s t i g a t et h ec o u p l i n ge f f e c tb e t w e e nt h e s em a t e r i a l sa n d i t s e f f e c to ns p i n d e p e n d e n ts c a t t e r i n ga n dt u n n e l i n ge f f e c t s o m en o v e lr e s u l t sw e r eo b t a i n e di nt h e f o l l o w i n ga n dr e l a t e dm e c h a n i s m sh a v eb e e ni n t e r p r e t e d 1z n m n 0 3c o m p o u n ds h o w si n s u l a t o rw i t hs p i n e ls t r u c t u r e i fl ai sp a r t i a l l ys u b s t i t u t e db y z n 2 + ，t h el a l x z n x m n 0 3c o m p o u n de x h i b i t sp e r o v s k i t es t r u c t u r ea n dt h er e s i s t i v i t yr e a c h e st h e m i n i m a la tx = l 3 i fs pi sp a r t i a l l ys u b s t i t u t e db yz n 2 + a n dt h em n 3 + 瓜f t r l 4 + r a t i oi sf i x e da t2 ， t h er e s u l t e dc o m p o u n dm a i n t a i n sp e r o v s k i t es t r u c t u r e ，t h ec u r i et e m p e r a t u r ei ss h i r e dt o w a r d s l o w e rt e m p e r a t u r ea n dt h em a g n i t u d eo fm a g n e t o r e s i s t a n c e ( m r ) n e a rc u r i et e m p e r a t u r ei n c r e a s e s t h e s er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o d o p i n go fz n 2 + a n ds r 2 + i sa ni m p o r t a n tw a yt oi m p r o v er o o m t e m p e r a t u r em a g n e t o r e s i s t a n c e i v a b s t r a c t 2t h es t r u c t u r ea n dm a g n e t o t r a n s p o r tp r o p e r t i e so fl s m o b a t i 0 3c o m p o s i t e sh a v eb e e n i n v e s t i g a t e db yi n t r o d u c i n gd i f f e r e n td o p i n gl e v e lo fb a t i 0 3 ( b t o ) i n t ol s m om a t r i x t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h e r ee x i s t st w ok i n d so fg r a i nb o u n d a r i e s ：l s m o l s m oa n d l s m o b t o l s m o t h er e s i s t i v i t yi n c r e a s e sb yt h ei n c r e a s eo fb a t i 0 3d o p i n gl e v e la n d i n c r e a s e sb yt w oo r d e r so fm a g n i t u d ea tt h ed o p i n gl e v e lo f5 i fb ai sp a r t i a l l yb yl at o e n h a n c et h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t ya n dl o w e rt h ep o t e n t i a lb a r r i e ro fg r a i nb o u n d a r i e s ，t h e r ei sa a r o u n d5 0 d e c r e a s ei nt h er e s i s t i v i t yo ft h ec o m p o s i t ew i t hx = 5 t h e s er e s u l t ss h o wt h a t l s m o b t o l s m og o v e r n st h em a g n e t o t r a n s p o r tp r o p e r t i e so fl s m o b t oc o m p o s i t e s l o w t e m p e r a t u r er e s i s t i v i t yd e c r e a s e sd r a t i c a l l yi nas t r o n gm a g n e t i cf i e l do fs t , i n d i c a t i n gt h a tt h e s p i n - d e p e n d e n tt u n n e l i n ge f f e c ti sd o m i n a t e d h i g h - t e m p e r a t u r er e s i s t i v i t yd e c r e a s e sl i t t l ei n5 t f i e l di n d i c a t i n gt h a tt h e r m a lt u n n e l i n gp r o c e s si sd o m i n a t e d t h et e m p e r a t u r ed e p e n d e n c eo f m a g n e t o r e s i s t a n c eo fb t od o p e dc o m p o s i t e se x h i b i t sd i f f e r e n tb e h a v i o rf r o mt h a to fl s m o c o m p o u n d t h em rd e c r e a s e sm o n o t o n o u s l yw i t hi n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e m o r e o v e r , t h el o w t e m p e r a t u r em r i n c r e a s e sa n dh i g ht e m p e r a t u r ed e c r e a s e sb yt h ei n c r e a s eo ft h ed o p i n gl e v e lo f b t o t h em a g n e t i c - f i e l dd e p e n d e n c eo fm rs h o w st h a tl o wf i e l dm rd e c r e a s e sa n dh i g h f i e l d m ri n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gt h eb t od o p i n gl e v e la tt e m p e r a t u r e sb e l o w2 8 0 k 3t h eb a t i 0 3p o w d e r sw e r ep r e p a r e db yh y d r o t h e r m a lm e t h o d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e b a t ir a t i oa n da l k a l i n eh a v ea ni m p o r t a n te f f e c to nt h eq u a l i t yo ft h ep o w d e rp r o d u c t i ti s b e n e f i c i a lt of o r mh i g h - q u a l i t yp o w d e ra th i i g hb a f f ir a t i o ( 2 ) a n dh i g ha l k a l i n e i ft h ep o w d e r w a si n t r o d u c e dt ol s m om a t r i 墨t h er e s i s t i v i t yi ss m a l le v e na th i i g hb a t i 0 3d o p i n gl e v e l ( 2 0 ) o t h e rr e s e a r c hi si np r o g r e s s 4t h e s t r u c t u r e ，m a g n e t i c a n d m a g n e t o t r a m p o r tp r o p e r t i e s o f l s z 3 s r l 3 m n 0 3 ( l s m o ) o 3 3 ( c u o ，z n o ，a 1 2 0 3 ) c o m p o s i t e sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e dt oe x p l o r et h e r o l eo fs e c o n di n t r o d u c e dp h a s e t h em i c r o s t r u c t u r a la n a l y s i ss h o w st w ok i n d so fg r a i n b o u n d a r i e s ：l s m o l s m oa n dl s m o s e c o n dp h a s e l s m o t w om a x i m a lr e s i s t i v i t i e sa p p e a ri n l s m o 0 3 3 c u oa n dl s m o o 3 3 z n oc o m p o s i t e sw h i l et h er e s i s t i v i t yo fl s m o 0 3 3 a 1 2 0 3 d e c r e a s e sm o n o t o n i c a l l yw i t hi n c r e a s i n gt h et e m p e r a t u r ef r o m2 0 0 kt o4 0 0 k m o r e o v e r , t h e t e m p e r a t u r ed e p e n d e n c e o fm a g n e t o r e s i s t a n c e ( m r ) o fl s m o 0 3 3 a 1 2 0 3t h a td e c r e a s e s m o n o t o n i c a l l yw i t hi n c r e a s i n gt h et e m p e r a t u r ei sd i f f e r e n tf r o m t h a to fl s m o 0 3 3 c u oa n d l s m o 0 3 3 z n o p o t e n t i a l - b a r r i e rs c a t t e r i n ga n ds p i n - d e p e n d e n ts c a t t e r i n gp l a y 锄i m p o r t a n tr o l e o nt h em a g n e t o t r a n s p o r tb e h a v i o ro fl s m o - b a s e dc o m p o s i t e s l o wb a n d g a pl e a d st ol o w v a b s t r a c t r e s i s t i v i t ya n dl o wm a g n e t o r e s i s t a n c ea tt h et e m p e r a t u r e sb e l o wr o o mt e m p e r a t u r e a l t h o u g hz n o h a saw i d eb a n d g a po f3 2 e va tr o o mt e m p e r a t u r e ，z n oi se a s yt oc o l l a p s et of o r mz nd o n o 娼o r0 v a c a n c y sd u r i n gs i n t e r i n g , l e a d i n gt ow e a kp o t e n t i a l b a r r i e rs c a t t e r i n ga n dl o wr e s i s t i v i t yo f l s m o - b a s e dc o m p o s i t e s 5e f f e c t so fs o r - m a g n e t i cf e r r i t ea n dh a r d m a g n e t i cf e r r i t eo nt h es t r u c t u r ea n dm a g n e t i c t r a n s p o r tp r o p e r t i e s i n l a 2 3 s r t 3 m n 0 3 ( l s m o ) x f e r r i t e s ( x i st h e d o p i n g c o n t e n t , f e r r i t e s = m n o 5 z n o 5 f e 2 0 4 ，b a o 6 f e 2 0 3 ) c o m p o s i t e sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d i tw a sf o u n dt h a tt h e i n c l u s i o no fm n z i i f e r r i t e ( m n o s z n o 5 f e 2 0 4 ，m z f ) p h a s e r e d u c e s m a g n e t i z a t i o n a n d f e r r o m a g n e t i c - p a r a m a g n e t i ct r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e ( t c ) w i t hi n c r e a s i n gt h ec o n t e n to fd o p a n t s ， t h eh i g h - t e m p e r a t u r em a g n e t o r e s i s t a n c e ( m r ) d e c r e a s e sw h i l el o w - t e m p e r a t u r em ri n c r e a s e sa n d a t t a i n s4 2 a t15 0 ka n dx - - - o 1 h o w e v e r , f o rl s m o ，b a o 6 f e 2 0 3 ( s a m ) c o m p o s i t e s ， m a g n e t i z a t i o na n df e r r o m a g n e t i c - p a r a m a g n e t i ct r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e ( t c ) d e c r e a s ef i r s t l yw i t h x 5 t h er e s i s t i v i t yi n c r e a s e sb yf i v eo r d e r so fm a g n i t u d ea t x = 1 a n di so u to fm e a s u r e dr a n g e x = 5 h i g hm a g n e t i cf i e l dh a sl i t t l e e f f e c to nt h e r e s i s t i v i t ya n dm a g n e t o r e s i s t a n c ef o rt h ec o m p o s i t e sw i t hj 【 = 5 ，w h i c hs h o u l db ea t t r i b u t e dt o t h ep i n i n ge f f e c to fb a mg r a i n s k e yw o r d s ：m a n g a n i t e s ；c o m p o s i t e s ；m a g n e t o r e s i s t a n c e ；s p i n - d e p e n d e n ts e a t e r i n g a n d t u n n e l i n ge f f e c t ；m a g n e t i cc o u p l i n g v i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含为获得直昌太堂或其他教育 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 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：刁矿7 琦 签字日期： 删年多月侈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( 手写) ： 用确 导 签字日期：矽莎年占月眵日 签字日期： 第一章材料的磁电阻效应 第一章材料的巨磁阻效应 1 1 应用背景 近年来信息技术的飞速发展中，电脑硬盘存储密度的增长极为令人注目： 从1 0 年前开始，其单位面密度即以每年6 0 的速度增长，而近四年来年的增长 竞达1 0 0 ，甚至超出了摩尔定律的预言! 这种惊人的高速增长是电脑硬盘磁头 和存储介质制造技术进步的直接结果其中最关键的是磁头核心元件读写 传感器由微电子器件向深亚微米纳米器件方向发展取得进展电子学的发展， 与其它学科的交叉越来越广泛。由此相继产生了微电子学、超导电子学、光电 子学。目前，基于电子的自旋，又产生了当代磁学与电子学研究的最新前沿一 磁电子学。1 8 5 7 年，t o m o s o n 1 首次发现磁场变化会引起物质电阻的变化，他发 现n i f e 合金线圈平行于磁场方向与不平行磁场方向的电阻率是不同的，称为各 向异性磁电阻。由于科学发展水平及技术条件的限制，数值不大的各向异性磁 电阻效应在一个多世纪的历史时期内并未引起人们太多的关注。1 9 7 1 年h u n t 提 出可以利用铁磁金属的各向异性磁电阻效应制作磁盘系统的读出磁头，1 9 8 5 年 i b m 公司把这一想法付诸实用化。1 9 8 8 年b a i b i c h 等人 2 首次发现( f e c r ) 多层 膜的磁电阻效应较人们所熟知的坡莫合金的各向异性磁电阻效应约大一个数量 级，称为巨磁电阻( g i a n tm a g n e t o - r e s i s t a n c e ，g m r ) 效应，极大地促进了磁电 子学这一学科的发展和完善。1 9 9 4 年，i b m 公司率先研制成巨磁电阻效应的读 出磁头，将磁盘记录密度一下提高了1 7 倍，从而在与光盘竞争中磁盘重新处于 领先地位。g m r 的发现在凝聚态物理学、材料科学及电子工程技术等领域引起了 划时代的轰动。国内外的物理学家和材料科学家在g m r 效应的基础理论研究及实 用上做了大量的工作，相继开发或正在开发出一系列全新概念的磁电子学元器 件为电子技术的发展带来了新的革命。 巨磁电阻材料之所以在全世界广泛受到重视，是和它重要的应用分不开的。 实际上在g m r 出现之前，数值不大的a m r 已得到应用。因此g m r 一经发现，人们立 即意识到会发展比a m r 器件更为灵敏的g m r 器件。g m r 的基础研究及应用开发和开 发研究几乎是齐头并进的。 1 巨磁电阻传感器 传统的磁电阻传感器主要有半导体及磁性合金两种。半导体磁电阻器件具 第一章材料的磁电阻效应 有磁电阻比值及线性度好的优点，但有所需磁场较高，温度稳定性不够好的缺 点。磁性合金薄膜器件饱和场低，灵敏度高，温度稳定性好，还有价廉之优点。 巨磁电阻传感器由于具有巨大的g m r 值和较大的磁场灵敏度，表现出更强的竞争 能力，用来代替传统磁电阻传感器，可大大提高传感器的分辨率，灵敏度、精 确性等指标，特别是在微弱磁场的传感方面，如可用于伪钞识别器等方面，则 显出更大的优势。更广泛的应用是各类运动传感器，如对位置、速度、加速度、 角度、转速等的传感，在机电自动控制、汽车工业和航天工业等方面有广泛的 应用。 2 巨磁阻磁记录读出磁头 传统的电磁感应式磁头，在读取高密度磁记录信息时，信噪比也不能满 足要求。此时对应于每个记录位的磁通量是微弱的。如果采用薄膜电阻磁头读 取信息，磁场的微弱变化对应着磁电阻的显著变化，是读取高密度磁记录信息 较理想的手段。因此，磁电阻头及巨磁电阻读出磁头就成为实现新型超高密度 磁记录的关键技术及目前唯一有效途径。2 0 世纪9 0 年代以来，利用a m r 读出头使 磁盘记录面密度达到每平方英寸1 千兆位( 1 g b i n ) 及3 g b i n 2 。至2 0 0 0 年，存贮 密度为5 6 3 g b i n 2 的g m r 磁头已经在日本的富士通制作所研制出来，远超过现 有光盘记录密度。最近大同工业大学神保睦子进行了以自旋电子为基础技术的 相关磁头的研究开发，预计二年问世，记录密度可达到1 0 0 2 0 0 g b i n 2 ，这将 使多媒体及信息高速公路技术进一步发展。 3 巨磁电阻随机存储器( m r a m ) 最近，在巨磁电阻用于内存的主要组成部分一随机存储器r a m 方面获得较 大进展。二十世纪五、六十年代普遍使用的r a m 由微型铁氧体磁芯组成：在二十 世纪七十年代被半导体代替。目前计算机r a m 多采用硅集成电路组成。动态及静 态随机存储器( d r a m 及s r a m ) ，d r a m 存储量大、价格低，为r a m 的主流，但速度稍 慢，约为l o n s 量级；s r a m 的速度可达纳秒量级，但存储密度稍低，而且价格较 高。二者均为易丢失性。近几年来，不丢失性的磁电阻和巨磁电阻随机存储器 在迅速发展。1 9 9 5 年报道了开关速度可达亚纳秒的自旋阀型m r a m 记忆单元及由 1 6 m b 的m r a m 晶片组成的2 5 6 m 字节的m r a m 芯片的设计报告。铁磁隧道结型m r a m 的 实验亦在进行。除了以上三方面的主要应用外，巨磁电阻在磁电子学中有更广 泛的应用，如各种无接触磁控器件以及自旋晶体管等，正在探索中 2 第一章材料的磁电阻效应 1 2 自旋极化 电子除了带有电荷之外，还具有自旋的特性对于普通金属，电子的自旋态 是简并的，电子的自旋是随机的，电子仅作为电荷的载体来传输信息，所以不存 在净的磁矩，同样费米面附近的电子态也是自旋简并的，因而输运过程中电子 流是非自旋极化的。 对于过渡金属，电子的排列受晶体场的影响。如果晶体场引起的能级分裂 很大，洪特规则被破坏，电子进入向下的三个能级；如果晶体场弱，电子趋向 平行排列。受晶体场的影响，再d 电子产生的3 d 过渡族元素种，轨道角动量消失， 4 f 电子轨道处于原子内壳层，不受电子的影响，轨道角动量还存在。 磁性只取决于电子的自旋，因此通常磁矩称为原子磁矩。而对于4 f 的稀土 金属，对于铁磁过渡金属来说，3 d 电子不局限于一个原子位置，而是向晶体中各 处运动，而形成3 d 能带。由于3 d 电子的交换作用，自旋取向不同的3 d 电子具有 不同能量，3 d 能带分裂成两个子带，自旋向上的子带与自旋向下的子带发生相 对位移，这便是人们所熟知的“交换劈裂 。 弱晶体场作用下3 d 原子能级 3 d 原能级强晶体场作用下3 d 原子能级 图1 1晶体场作用下3 d 能级分裂图 b y i b , 夏 图1 2 正常金属和铁磁金属的能带密度图 由于交换劈裂，自旋向上的子带( 多数自旋) 将全部或绝大部分被电子占 据，而自旋向下的子带( 少数自旋) 仅部分被电子占据，两子带的占据电子数之 第一章材料的磁电阻效应 差正比于它的磁矩由于交换劈裂，费米面处自旋向上和自旋向下3 d 电子的态 密度相差很大，在铁磁金属中由于交换劈裂，费米能级处自旋向上的电子和自旋 向下的电子不等而产生铁磁有序。参与输运的两种取向电子在数量上是不相等 的。所以传导电流是自旋极化的。不同取向的电子所受到的散射也是不相等的。 两种自旋取向的电子的输运性质有很大区别。自旋电子学就是以不同自旋取向 的电子为研究对象，以不同自旋取向电子的输运性质为研究内容，并设计开发 新型电子器件的一门新学科。 自旋极化定义为向上多数自旋电子和向下少数自旋电子的差异，用p 表示。 咒个一甩山 p 2 而。疗l + 刀 c r 0 2 的自旋向上与自旋向下能带完全分裂，所有电子的自旋只有一个方向，是自 旋电子器件很好的注入源。如果电子填充单向区域，引起的动能上升很快，则 不形成铁磁性。 对于普通非磁金属，电子的散射主要是自旋简并的s 电子之间的散射( 贵 金属铜、银和金的自旋简并的d 带大都处于费密面以下，亦属于s 金属) ，电 子的平均自由程较大。铁磁金属铁、钴和镍不同于普通金属的s 电子散射，由 于在费密面处同时存在s 电子和态密度很大的d 电子，在输运过程中，传导电 子要经受比s 电子散射强烈得多的s d 散射，因而这里传导电子的平均自由 程要小得多以s 电子为媒介的磁性原子之间的相互作用称为r k k y 作用 3 。 1 3 磁电阻效应 所谓磁电阻是指材料的电阻随磁场的变化而变化的现象。早在多年以前， 人们在普通的金属中发现随外磁场的增加电阻有微小的增加，增加的幅度决定 于外磁场和电流之间的夹角，是各向异性的。1 9 8 8 年，m n b a i b i e h 等人 2 】利用 分子束外延技术制备的f e c r f e 多层膜发现电阻率在4 2 k 和2 t 的外磁场下可 以降到无磁场的一般左右，称为巨磁电阻效应( g m r ) ， 磁致电阻效应能够把外磁场信号转化为电信号，所以它在磁读写、磁储存 器件和磁传感器领域有广泛的应用。 磁电阻效应大小通常用最大磁电阻来表征，旅：丝：丛堕地， p阑 p ( o ) 和p ( h ) 分别为零磁场和磁场为h 下的电阻率。 4 第一章材料的磁电阻效应 一、正常磁电阻。 o m r 为普遍存在于所有金属和合金磁电阻效应，一般金属导体的m r 效应很 小，只有1 0 一5 ，广泛使用的坡膜合金，其m r 值可达3 一- 5 。金属b i 具有较高的 0 m r ，在1 2 t 的磁场下m r 达到7 - 2 2 。半导体具有较大的0 m r ，并开发商品化 的磁电阻传感器，如i n s b - n i s b 共晶材料。金属磁电阻是指处于磁场中的电子 在磁场中受到洛仑兹力的作用，导致运动路径偏离原来的电场方向，这样电子 所受到的散射作用增强，从而导致电子的平均自由程变小，电阻受磁场的影响 而增大。 二、各向异性磁电阻 各向异性磁电阻是指磁性材料的电阻率随磁化强度的方向与电流方向相对 取向而改变的现象。它是铁磁金属和合金中由于自旋轨道耦合电子受到磁性原 子的散射而产生的。可由公式表示： e = p 。j 七p ( p 3 k p l | 一p 3 七p h9 j p h 是h a l l 电阻率，p 为单畴样品的磁化强度方向，j 为电流密度，对单畴 样品，如果m 与j 夹角为e 。 p = 九s i n 2 秒+ p ，c o s 2 口= n + a , o c o s 2p ；a p = p ，一p i ；上式给出了各 向异性磁电阻，当磁化强度从0 - 9 0 0 转n o = o o 时，电阻率由p 变为p 。一般来 说，电流与磁场方向平行时的电阻率高于电流与