多晶Fe3O4薄膜及其复合结构的微观结构、磁性质和输运特性

论文摘要

隧道型磁电阻（TMR）来源于颗粒薄膜中的铁磁颗粒或者是隧道结中的铁磁性电极间的自旋相关隧穿效应,并与隧穿电子的自旋极化率成正比,因此人们一直在致力于寻找具有高自旋极化率的材料。半金属材料中的输运电子具有100%的自旋极化率,是比较有希望在自旋电子学器件上得到应用的自旋注入材料。在几种类型的半金属材料中,由于Fe3O4具有高居里温度、低沉积温度以及可以超薄成膜等优点,更成为近年来自旋电子学领域的研究热点之一。本论文采用对向靶直流反应溅射法制备了多晶Fe3O4薄膜、Fe3O4/Al（Mo）双层膜和Zn、Mn掺杂的Fe3O4薄膜,对它们的微观结构、化学成份、电阻率、磁电阻、磁学性能以及霍尔效应等进行了系统的研究。在基底不加热的条件下,用对向靶反应溅射法在氩气和氧气的混合气氛中制备了多晶Fe3O4薄膜。结构分析发现薄膜中晶粒呈柱状生长,大小均匀。室温下多晶Fe3O4薄膜在50 kOe的磁场下磁化强度为296 emu/cm3,远远小于块体材料的饱和磁化强度值（471 emu/cm3）,而且没有达到饱和。低温下,带场冷却的磁滞回线有交换偏置现象,但当温度升高到200 K左右时交换偏置消失。在外场为90 kOe的磁场下,薄膜的磁电阻仍然不饱和,在80 K达到–11.7%。随着温度的升高磁电阻降低,室温时仍然能达到–7.4%,是目前已报道的较大的磁电阻值。在多晶Fe3O4薄膜中存在大量的反相边界（APB）。由于APB的出现,薄膜中存在强反铁磁耦合,导致薄膜的磁化强度降低、低温下出现交换偏置现象和比较显著的磁电阻效应。研究发现多晶Fe3O4薄膜中电子的的输运机制为相邻颗粒间的隧穿效应。在Fe3O4/Al（Mo）双层膜中同Fe3O4多晶膜相比发现了磁性增大现象。对Fe3O4（300 nm）/Al双层膜,30 nm厚的Al衬层可以使磁化强度达到450 emu/cm3,几乎接近块体值,而随着衬层厚度的增加,磁化强度基本稳定在该值附近。对Fe3O4/Mo双层膜,磁性增加的效果不如Fe3O4/Al双层膜显著,30 nm厚的Mo衬层使双层膜中的磁化强度增加到422 emu/cm3,这是因为在Fe3O4/Mo双层膜中出现了反铁磁性的Fe2（MoO4）3。对于双层膜来说,低温带场冷却磁滞回线的测量中发现了交换偏置场的大小明显低于单层膜。通过对磁性增大的物理机制进行研究发现,金属衬层显著抑制了薄膜沉积过程中结构缺陷和界面非晶层的形成,从而使多晶Fe3O4薄膜的饱和磁化强度增大。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 综述
• 1.1 研究现状
• 1.1.1 非均匀纳米磁性体系中的巨磁电阻（GMR）
• 1.1.2 半金属材料
• 3O₄体系中的磁性和输运特性'>1.1.3 纳米Fe₃O₄体系中的磁性和输运特性
• 1.2 理论背景
• 1.2.1 非均匀磁性系统中磁电阻的分类
• 1.2.2 非均匀磁性系统中的霍尔效应
• 1.2.3 非均匀磁性系统中的电输运理论
• 1.2.4 非均匀磁性系统中的磁电阻理论
• 1.3 本论文的工作
• 第二章 样品制备、结构表征与物性测量
• 3O₄ 薄膜的制备'>2.1 多晶 Fe₃O₄薄膜的制备
• 2.1.1 对向靶直流磁控溅射原理
• 2.1.2 薄膜的沉积
• 2.2 结构表征、磁性和输运特性测量
• 2.2.1 表面形貌和薄膜厚度测量
• 2.2.2 成份分析
• 2.2.3 结构表征
• 2.2.4 低温技术和输运特性测量
• 2.2.5 磁性测量
• 3O₄薄膜的结构、磁性和输运特性'>第三章 多晶Fe₃O₄薄膜的结构、磁性和输运特性
• 3O₄ 薄膜的微观结构'>3.1 反应溅射多晶 Fe₃O₄薄膜的微观结构
• 3.1.1 XRD 分析
• 3.1.2 XPS 分析
• 3.1.3 激光显微拉曼光谱分析
• 3.1.4 透射电子显微镜和 MFM 分析
• 3O₄ 薄膜的磁学性质'>3.2 反应溅射多晶Fe₃O₄薄膜的磁学性质
• 3O₄ 薄膜的输运特性'>3.3 反应溅射多晶Fe₃O₄薄膜的输运特性
• 3.3.1 电阻率
• 3.3.2 磁电阻
• 3.3.3 霍尔效应
• 3.4 本章小结
• 3O₄/金属双层膜的结构和磁性'>第四章 Fe₃O₄/金属双层膜的结构和磁性
• 3O₄/金属双层薄膜的结构'>4.1 Fe₃O₄/金属双层薄膜的结构
• 4.1.1 XRD 分析
• 4.1.2 XPS 分析
• 4.1.3 激光显微拉曼光谱分析
• 4.1.4 表面形貌分析
• 4.1.5 透射电子显微镜（TEM）分析
• 3O₄/金属双层薄膜的磁性'>4.2 Fe₃O₄/金属双层薄膜的磁性
• 4.3 本章小结
• 3O₄ 薄膜的磁性和输运性质的影响'>第五章 掺杂对多晶 Fe₃O₄薄膜的磁性和输运性质的影响
• 3O₄ 薄膜的微观结构'>5.1 掺杂多晶 Fe₃O₄薄膜的微观结构
• 5.1.1 XRD 分析
• 5.1.2 XPS 分析
• 5.1.3 EDX 成份分析
• 5.1.4 激光显微拉曼光谱分析
• 5.1.5 透射电子显微镜分析
• 3O₄ 薄膜的磁性'>5.2 掺杂多晶 Fe₃O₄薄膜的磁性
• 3O₄ 薄膜的磁电阻'>5.3 掺杂多晶 Fe₃O₄薄膜的磁电阻
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间完成的学术论文
• 致谢