纳米粒子装配颗粒膜的巨霍尔效应研究

The giant Hall effect (GHE) observed in granular films had attracted intense research interest over resent years owing to its great application potential in the fields of magnetic sensors, magnetic field detectors and new Hall devices. However, granular films are extremely complex system, interactive microstructural factors such as the particle size, size distribution and interparticle spacing lead the electronic transport property has an extremely elusive phenomena. The mechanism of the giant Hall effect (GHE) in granular films is still not clear. Therefore, developing a new preparation method which can independently control the particle size, size distribution and interparticle spacing of the granular films and study the giant Hall effect (GHE) is of significant academic value. This project will use the our own designed nanoparticles beam composite deposition system with the character of controlling the particle size, size distribution and interparticle spacing in granular films individually, and preparing the new-type nanoparticle-assembled granular films by assembling the Fe, Cu, Mo nanoparticles prepared by nanoparticles beam source with the SiO2 or ZnO films prepared by normal magnetron sputtering. In this project, relations between the microstructure factors (such as the particle size, size distribution, interparticle spacing) as well as the giant Hall effect (GHE) of this new-type nanoparticle-assembled granular films will be studied systematically, and the mechanism of the giant Hall effect (GHE) in nanoparticle-assembled granular films will also be clarified.

颗粒膜中的巨霍尔效应因在磁性传感器、磁场探测器及新型霍尔器件等领域中的巨大应用前景，引起了极大的研究兴趣。然而，颗粒膜是一个极其复杂的体系，其颗粒大小、粒径分布、颗粒间距等众多且相互制约的微结构因素，使颗粒膜体系的电磁输运现象极其复杂，造成巨霍尔效应的产生机制尚不清晰。因此，发展一种可以独立控制颗粒膜中颗粒大小、粒径分布、颗粒间距的新的制备方法，对开展颗粒膜中巨霍尔效应的研究具有重大的学术价值。本项目利用实验室自行研制的纳米粒子束流复合沉积系统可单独控制颗粒膜的颗粒大小、粒径分布和颗粒间距的特点，将制备的Fe、Cu、Mo金属纳米粒子与磁控溅射制备的SiO2、ZnO薄膜在真空室中原位装配到基片上，制备不同于常规颗粒膜体系的新型"纳米粒子装配颗粒膜"，并深入探讨这种新型颗粒膜的微结构（如颗粒大小、粒径分布、颗粒间距等）对物理特性和巨霍尔效应的影响规律，阐明颗粒膜巨霍效应的产生机制。

本项目聚焦在近年来在颗粒膜中发现的霍尔系数显著增大的现象，针对传统颗粒膜研究中难以独立直接控制颗粒膜微结构参数的困难，力争发展可以独立地控制颗粒尺寸和颗粒间距等微结构参数的颗粒膜制备方法。并在此基础上，系统研究颗粒膜微结构参数对颗粒膜霍尔系数的影响，阐明颗粒膜中霍尔系数反常增大的原因，发展与完善颗粒膜巨霍尔效应的相关理论。.项目通过对纳米粒子束流复合沉积设备实验参数的系统摸索，获得了尺寸均一、粒径可控的Fe、Cu和Ag纳米粒子制备的相关资料。并通过在设备上合理安装一个常规磁控溅射靶，对纳米粒子在飞行途中原位复合绝缘介质层，实现了颗粒膜中颗粒尺寸和颗粒间距的独立调控。进一步根据惰性气体冷凝制备金属纳米粒子的原理，对常规磁控溅射设备进行了适当改进，使溅射出的气相靶原子先与高密度的惰性气体分子碰撞失去能量，冷凝形核并生长为纳米团簇，后与常规磁控靶溅射绝缘介质，以共沉积的方式组装制备纳米粒子装配颗粒膜，初步实现纳米粒子装配颗粒膜颗粒间距的直接调控。通过系统研究非磁性Cu-ZnO、Mo-Al2O3颗粒膜粒径大小、颗粒间距以及颗粒膜成分对样品霍尔效应的影响，发现颗粒膜中霍尔系数增强来源于微结构引起的量子干涉效应。并通过与Co-ZnO和Fe磁性颗粒膜霍尔效应的对比，明确了磁性颗粒的反常霍尔效应对颗粒膜霍尔效应的影响，从实验上证实了颗粒膜的存在巨霍尔效应。阐明了颗粒膜中反常霍尔效应标度关系偏离的根本原因，进一步发展与完善颗粒膜巨霍尔效应的相关理论，并找到了进一步提高霍尔系数的方法。最终在Cu体积比为0.59的Cu-ZnO颗粒膜中发现霍尔系数为3.2×10-8 m3/C，比纯Cu的霍尔系数值增大超过3个数量级。而在Fe磁性颗粒膜中发现了反常霍尔系数高达Rs=2.4×10-8 Ω cm G-1，比纯Fe增大了近4个数量级。尝试发展双磁性相颗粒膜的制备方法，探索通过微结构、磁性颗粒以及磁性绝缘介质三者的共同的增强作用进一步提高霍尔系数的可行性，并取得了一些有价值的初步研究结果。目前为止共发表论文7篇，申请发明专利1项，并参与编写了《自旋电子学导论》第二章：“磁性颗粒膜中的巨磁电阻效应”。