磁性金属—碳氮颗粒薄膜的磁电阻效应研究

由磁性金属和非磁性母体构成的颗粒薄膜体系中的磁电阻现象是近年来纳米材料科学和凝聚态物理学领域最为活跃的研究课题之一。目前，颗粒膜中出现了丰富的磁电阻效应，但其物理机制并不清楚。本课题提出以导电性可变且可控的碳氮材料为母体，研究磁性金属-碳氮颗粒薄膜的磁电阻效应；本课题的前期工作已在碳氮磁性颗粒薄膜中发现低温磁电阻显著增强效应，在3 K下最大磁电阻值高达-59%,且磁电阻值随温度成特殊的变化关系，现有理论无法给出合理的解释。在实验上，通过优化实验条件，调控样品中母体的导电性、颗粒尺寸、表面（界面）情况等，进一步提高样品的磁电阻值，总结出该体系中磁电阻的变化规律，揭示影响样品中磁电阻效应的关键影响因素。在理论上，考虑影响该体系中磁电阻效应的主要因素，通过定量或半定量的理论模型，解明碳氮基磁性颗粒薄膜中磁电阻效应及其变化规律的内在机制，为自旋电子学的发展提供基础依据。

本项目在前期工作的基础上，采用磁控溅射法制备了铁磁性金属-碳氮颗粒薄膜、铁磁性金属-氮化物复合薄膜、铁磁性金属-氧化物半导体非均匀复合薄膜、以及铁磁性金属-碳氮颗粒薄膜/单晶硅异质结构，并对这些样品的结构、磁性和电输运特性进行了系统的研究。得到以下主要研究结果：.1、在室温下采用共溅射法制备了系列过渡族金属-碳氮颗粒薄膜。在磁性金属(Fe、Co、Ni)碳氮颗粒薄膜中观察到了自旋相关的低温磁电阻显著增强现象，磁电阻在3 K和90 kOe的磁场下可以达到–59%。磁电阻随外加磁场呈现弱饱和现象；当温度高于20 K，磁电阻都接近于0；低于20 K时，磁电阻随温度的降低而急剧增大，满足指数变化关系。基于高阶隧穿模型，考虑新的自旋极化率随温度的变化关系P=P0exp(-βTα)，我们解明了低温磁电阻增强现象的物理机制。.2、采用共溅射法制备了Fe-Al-N、Cr-Ti-N、Fe-Ti-N和Mn-Ti-N复合薄膜，对其结构、磁性和电输运特性进行了详细的测量与分析。在Fe-Al-N和Cr-Ti-N复合薄膜中发现了低温磁电阻随着温度的降低呈指数规律增大，通过理论拟合得到的自旋极化率同样满足P=P0exp(-βTα)关系。在Fe-Ti-N和Mn-Ti-N复合薄膜中，发现晶粒界面效应诱导的铁磁性，但是并没有观察到大的磁电阻效应。.3、采用共溅射法制备了Fe-Ti-O和Co-Ti-O非均匀薄膜，对其结构、磁性和电输运特性进行了详细的研究，发现-8%的室温磁电阻效应和大的低温磁电阻效应。低温磁电阻效应的提高应该与反铁磁耦合的无序磁矩有关。.4、采用磁控溅射法制备了铁磁性金属-碳氮颗粒薄膜/单晶硅异质结构，并对其通过界面的电子输运特性进行了详细的分析。在反向电流区域出现的正磁电阻是由于形成了自旋极化势垒，温度依赖的磁电阻出现峰值，这进一步验证了该结论。电流正向区域出现的正磁电阻达到了~90 %，这可能与低温下R-I曲线在0.01 mA附近出现的峰有关系。.研究成果在Applied Physics Express、Journal of Alloys and Compounds、Materials Research Bulletion等SCI收录的学术期刊上发表学术论文9篇；授权发明专利3项；毕业硕士生1人，在学4人；获天津市自然科学二等奖一项(第三完成人)；出版教材一部（本人完成17万字）。