基于氧化物稀磁半导体的新型磁性金属颗粒薄膜的巨霍尔效应及应用

以具有绝缘性和高温铁磁性的氧化物稀磁半导体材料，替代普遍使用的非磁性的绝缘体母体，拓展磁性金属颗粒薄膜和巨霍尔效应的材料体系，制备基于氧化物稀磁半导体的新型磁性金属颗粒薄膜，通过对材料的电、磁性质的深入研究，探索体系自旋输运相关的新性质；结合对磁性金属/氧化物稀磁半导体异质结构的电子态密度、能带结构、原子磁矩等性质的第一性原理计算，归纳总结出体系具有巨霍尔效应的共同特征，解明巨霍尔效应的物理机制；进一步提高材料的霍尔系数和霍尔电阻率，制备出具有较高室温灵敏度的超薄磁性金属颗粒薄膜，探索其器件应用的可行性。.本项目的研究，对拓展磁性金属颗粒薄膜和巨霍尔效应的材料体系，探索其自旋相关的新效应，以及解明巨霍尔效应的物理机制等具有重要的科学意义，将进一步增进我们对纳米结构体系的输运性质的了解与认识，并为巨霍尔效应在器件领域中的应用奠定基础。

磁性金属-绝缘体颗粒薄膜是由纳米尺度的磁性金属颗粒随机地分布于绝缘体（母体）中构成的人工结构纳米功能材料。磁性金属-绝缘体颗粒薄膜的重要特性是巨霍尔效应。为了将巨霍尔效应应用于传感器件，必须克服磁性金属颗粒的超顺磁现象，使其在室温以上保持铁磁性。为此，本项目以具有绝缘性和高温铁磁性的氧化物稀磁半导体材料，替代普遍使用的非磁性的绝缘体母体，拓展磁性金属颗粒薄膜的巨霍尔效应的材料体系。. 本项目制备出了以ZnO、Cu2O、TiO2等不同氧化物稀磁半导体材料作为母体的多种新型磁性金属颗粒薄膜，对材料的结构、化合态、电、磁性质等进行了系统研究，特别是对反常霍尔效应进行了深入研究，探索了体系出现反常霍尔增强效应的共同规律，证明了稀磁半导体材料所引起的磁稳定性可以提高反常霍尔效应的稳定性，使体系在室温下保持较高的霍尔灵敏度；通过第一性原理计算，分别对稀磁半导体母体材料的磁性起源和磁性调控方法、磁性材料的电子结构和电输运性质、母体材料与磁性金属之间的相互作用等进行了研究；对颗粒膜体系的其它自旋相关新性质进行了探索，在Fe-TiO2体系中发现了矫顽力增强、明显的交换偏置、团簇自旋玻璃态等性质和现象；对金属/非磁性半导体、金属/有机半导体等体系的磁性、界面效应以及霍尔效应等进行了研究；在超薄的Fex(ZnO)1-x颗粒薄膜体系中发现了反常霍尔系数和霍尔灵敏度的明显增强，样品的反常霍尔系数最高达到4.27×10-7 m-3/C，且在10 K~300 K的温度范围内保持稳定，室温下霍尔灵敏度达到~130 V/AT，与常用的半导体材料（如Si、Ge、GaAs等）的霍尔灵敏度接近。这些结果有助于深入理解反常霍尔效应的增强机制，也为磁性金属-稀磁半导体颗粒膜在霍尔器件的应用奠定了基础。