自旋電子學(xué)是近些年來在半導(dǎo)體電子學(xué)和磁電子學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門新興交叉學(xué)科

自旋電子學(xué)是近些年來在半導(dǎo)體電子學(xué)和磁電子學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門新興交叉學(xué)科。豐富的物理內(nèi)涵、明確的應(yīng)用目標(biāo)以及廣闊的市場前景,自旋電子學(xué)已成為當(dāng)今凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)領(lǐng)域最為關(guān)注的方向之一。其中，巨磁電阻的發(fā)現(xiàn)及在自旋器件上的應(yīng)用是最有重大影響力的成果。非易失性存儲器和高密度磁存儲器的誕生，不僅給基礎(chǔ)研究注入了活力，更為市場帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。巨磁電阻研究的關(guān)鍵在于如何獲得更為實(shí)用的低場室溫磁電阻效應(yīng)。具有高自旋極化率的半金屬材料,如摻雜錳氧化物,CrO2,Fe3O4等成為研究者的首選。無論是提高半金屬材料的內(nèi)稟磁電阻，還是外稟磁電阻，都有著極大的研究和應(yīng)用潛力。研究表明,半金屬顆粒復(fù)合體中，顆粒邊界對低場磁電阻產(chǎn)生和增強(qiáng)有重要作用，調(diào)節(jié)顆粒邊界勢壘已成為顆粒體系中磁電阻增強(qiáng)的有效實(shí)驗(yàn)途徑。此外，摻雜錳氧化物中,3d/4d/5d過渡族金屬氧化物材料日益受到人們的關(guān)注。在這類新型的磁電阻氧化物中,4d或5d金屬離子較3d金屬離子具有寬的d軌道和電子巡游特性,d電子與氧的2p電子存在較強(qiáng)的雜化作用。自旋,軌道和晶格間的相互耦合，引起材料中大的電、磁響應(yīng)以及巨磁電阻等豐富物理現(xiàn)象，為磁電阻材料研究范圍的拓寬以及強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系中物理性質(zhì)的探討提供了新的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。另一方面，磁致冷技術(shù)的飛速發(fā)展使得凝聚態(tài)物理工作者越來越關(guān)注磁性材料的磁熱效應(yīng)。傳統(tǒng)的氣體制冷存在眾多的缺點(diǎn)，相比之下,磁制冷具有熵密度高、體積小、噪音小、無污染、高效低耗等獨(dú)特優(yōu)勢。磁制冷研究的關(guān)鍵在于獲得室溫附近大的磁熱效應(yīng)。傳統(tǒng)的金屬釓⑶）以及近年來報(bào)道的Gd5（G%SL）4和La(Fei3-xSix)等合金都是具有大磁熵變的磁性材料。然而，這些材料中稀有金屬的昂貴，化學(xué)性質(zhì)的不穩(wěn)定，居里溫度單一，磁滯與熱滯現(xiàn)象嚴(yán)重等因素，使得磁制冷技術(shù)的應(yīng)用步履維艱。值得注意的是，具有龐磁電阻的摻雜錳氧化物同樣表現(xiàn)出了大的磁熵變效應(yīng)，這一發(fā)現(xiàn)大大拓寬了磁制冷工質(zhì)的研究范疇。摻雜錳氧化物具有價(jià)廉、制備簡單、居里溫度在較大溫區(qū)范圍內(nèi)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn),使得其在磁制冷研究中關(guān)注程度日趨增加。但這一材料也有其明顯不足之處，如磁性能受制備工藝和摻雜影響較大。因此，研究者仍在通過提高制備工藝等方法，努力探索具有實(shí)用價(jià)值的磁熵材料。綜合上述兩方面的研究背景，本文的研究主要分為二個部分。一，磁性氧化物磁輸運(yùn)性質(zhì)的研究，包括半金屬CrO2和Fe3O4顆粒邊界磁電阻效應(yīng)的研究，以及3d/4d過渡族金屬氧化物Sr電磁性能，磁性相變和磁電阻的研究。二，研究了半金屬CrO2的磁熱效應(yīng)，以及多晶SrRui-xMnxO3中磁熵變隨體系磁性相變的變化關(guān)系。主要研究內(nèi)容包括:1.磁性氧化物磁輸運(yùn)性質(zhì)的研究(1)通過調(diào)節(jié)顆粒邊界勢壘狀態(tài)，獲得了室溫Fe3O4顆粒中增強(qiáng)的磁電阻和磁阻抗效應(yīng)。系統(tǒng)研究了球磨Fe3O4粉末顆粒的電阻率、磁性能、磁電阻、磁阻抗與顆粒邊界勢壘的關(guān)系。磁電阻和磁阻抗效應(yīng)在優(yōu)化的顆粒邊界勢壘樣品中出現(xiàn)極大值。室溫磁阻抗效應(yīng)在5000Oe磁場下從-7.0%增加到了-12.3%,提高了近76%。采用阻抗譜分析方法，將顆粒體系中品粒、品界和顆粒邊界電阻加以分離,區(qū)分出品粒和顆粒邊界對磁輸運(yùn)性質(zhì)的貢獻(xiàn)。通過非線性I-V曲線計(jì)算得到各樣品中邊界勢壘高度和勢壘寬度，詳細(xì)討論了磁輸運(yùn)與顆粒邊界勢壘狀態(tài)的關(guān)系。因此，這一增強(qiáng)的交流磁輸運(yùn)特性為高頻自旋電子器件的開發(fā)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。（2）首次通過化學(xué)反應(yīng)方法，改善半金屬CrO2顆粒表面天然的Cr2O3勢壘層，獲得了低場磁電阻的顯著增強(qiáng)。相成分和表面態(tài)的測試結(jié)果表明，強(qiáng)氧化劑KMnO4能有效地去除或調(diào)整半金屬CrO2顆粒表面絕緣的Cr2O3層,從而得到一系列具有不同表面態(tài)的CrO2顆粒，最大磁電阻達(dá)到MR=-33%，相比于未處理樣品提高了近22%。并對具有不同表面態(tài)CrO2顆粒的電、磁性能、磁電阻效應(yīng)和顆粒間勢壘性質(zhì)作了較為系統(tǒng)的分析和討論。探索了一條用化學(xué)反應(yīng)法調(diào)整顆粒表面勢壘狀態(tài)而獲得低場磁電阻增強(qiáng)效應(yīng)的有效實(shí)驗(yàn)途徑。（3）首次在實(shí)驗(yàn)上制備了具有正自旋極化率CrO2和負(fù)自旋極化率Fe3O4的二組元半金屬顆粒復(fù)合體，研究了具有特殊微觀結(jié)構(gòu)半金屬顆粒復(fù)合體的磁輸運(yùn)特性，并探討了體系逾滲閾值、磁電阻效應(yīng)與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系。我們發(fā)現(xiàn)隨著CrO2組分的變化，復(fù)合體的電導(dǎo)發(fā)生逾滲現(xiàn)象，在逾滲閾值乳=0.15（CrO2組分濃度）處出現(xiàn)磁電阻的極小值。詳細(xì)研究了復(fù)合體逾滲閾值處電導(dǎo)和磁輸運(yùn)機(jī)制，分析了由異號自旋極化率的CrO2和Fe3O4組成的顆粒復(fù)合體磁電阻效應(yīng)的特征。（4）首次系統(tǒng)研究了3d/4d過渡族金屬氧化物SrRui-xMnxO3（0<x<1）磁性相變和磁輸運(yùn)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)了這一體系中低溫-41%的磁電阻效應(yīng)和居里溫度附近-35%的磁電阻峰值，率先報(bào)道了多晶SrRu1-xMnxO3中磁相變圖。3d金屬離子Mn4+對4d鈣鈦礦氧化物SrRuO3的B位摻雜，驅(qū)使體系從金屬性巡游鐵磁體轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣性反鐵磁體。X-射線光電子能譜（XPS）測試表明，多晶樣品中Mn和Ru離子主要以Mn4+和Ru4+價(jià)態(tài)為主，但存在少量的Mn3+和Ru5+離子價(jià)態(tài)。詳細(xì)研究了體系中多種磁性相的共存和相互競爭，如Mn3+-Mn4+（Ru5+）鐵磁性相互作用,Mn-Ru鐵磁性超交換作用,Mn4+-Mn4+及Ru-Ru反鐵磁相互作用,以及由此導(dǎo)致的多晶SrRul-xMnxO3中復(fù)雜的磁性相變行為。系統(tǒng)分析了不同溫度下電、磁性質(zhì)和磁場導(dǎo)致的磁性相變特征，對低溫和居里溫度處產(chǎn)生大的磁電阻效應(yīng)物理機(jī)制作了深入探討。2.磁性氧化物中磁熱效應(yīng)的研究（1）首次研究了半金屬CrO2顆粒中的磁熵變^SM和絕熱溫度變化△Tad,發(fā)現(xiàn)具有二級相變的CrO2材料表現(xiàn)出大的低場磁熱效應(yīng):在1.5T磁場下，磁熵變^Sm達(dá)到-5.1J/kg-K,絕熱溫度變化達(dá)到△Tad=2.0K。這一低場磁熵變在磁性氧化物中是比較可觀的。同時，還系統(tǒng)研究了不同顆粒尺寸CrO2的磁熱效應(yīng)。運(yùn)用分子場理論，朗道模型和德拜近似等方法，分析了具有二級相變CrO2材料中磁熵的來源，包括電子自旋，磁滯伸縮，電子熵變對整個磁熵變的貢獻(xiàn)。（2）首次研究了4d巡游金屬性鐵磁體SrRuOq3和多晶SrRu1-xMnxO3體系中磁熱效應(yīng)與磁性相變的關(guān)系。結(jié)果表明,6.5T磁場下，巡游鐵磁體SrRuO3在居里溫度160K處存在^Sm=-2.5J/kg-K的磁熵變和△Tad=3.1K的絕熱溫度變化。相對制冷率達(dá)到RCP=70J/kg。由于相變溫度處SrRuO3晶格常數(shù)存在較大的變化，運(yùn)用德拜近似計(jì)算，發(fā)現(xiàn)具有二級相變的SrRuO3材料品格熵變在整個熵變中的重要性。B位Mn離子的摻入，體系低溫下出現(xiàn)自旋玻璃/團(tuán)簇玻璃的磁性態(tài)，高溫（-200K）出現(xiàn)反鐵磁/順磁的轉(zhuǎn)變。體系磁熵變強(qiáng)烈依賴于磁性相變，不同磁性相變溫度處表現(xiàn)出系統(tǒng)的變化。在鐵磁-順磁轉(zhuǎn)變溫度Tc處和自旋凍結(jié)溫度Tf處均出現(xiàn)了負(fù)磁熵變^Sm的峰值，而在反鐵磁相變溫度Tn附近，出現(xiàn)了正的磁熵變△Sp。詳細(xì)探討了體系中磁熵變的物理機(jī)制以及Mn的摻入導(dǎo)致磁熵變隨磁性能的變化【作者】張曉渝【導(dǎo)師】李振亞；陳亞杰；【作者基本信息】蘇州大學(xué)，凝聚態(tài)物理，2007，博士磁性氧化物磁輸運(yùn)和磁熱效應(yīng)的研究顆粒復(fù)合介質(zhì)是指顆粒狀的一種或幾種材料無規(guī)分布在某種基質(zhì)中而形成的新型復(fù)合材料。由不同組分的材料形成顆粒復(fù)合介質(zhì)后，可具有與組分物性差異很大的性質(zhì)，展現(xiàn)出豐富的物理現(xiàn)象。由于這種顆粒復(fù)合介質(zhì)在實(shí)驗(yàn)上比較容易制備，對實(shí)際的應(yīng)用提供了廣闊的前景。理論上對這種顆粒復(fù)合介質(zhì)的研究成為凝聚態(tài)物理理論研究的一個熱門課題，許多理論與實(shí)驗(yàn)學(xué)者都對這些顆粒復(fù)合介質(zhì)產(chǎn)生了濃厚的興趣。其中金屬磁性顆粒復(fù)合介質(zhì)是指由超細(xì)的磁性顆粒無規(guī)分散在非磁性的金屬基質(zhì)中形成的一種合金。該種顆粒復(fù)合介質(zhì)是本文研究的重點(diǎn)對象，其中的磁性小顆粒的尺寸通常為幾個到一百個納米，它們無規(guī)地且與基質(zhì)不相溶地分散在非磁金屬基質(zhì)中。這種新型的金屬磁性顆粒復(fù)合介質(zhì)具有與磁性多層膜相類似的巨磁電阻效應(yīng)(GiantMagnetoresistanceEffect)以及其它重要的磁學(xué)性質(zhì)。本文主要以發(fā)展新的理論計(jì)算方法及蒙特卡羅(MonteCarloSimulation)計(jì)算機(jī)模擬來研究這種顆粒復(fù)合介質(zhì)中的磁學(xué)性質(zhì)和巨磁電阻效應(yīng)。當(dāng)前，盡管人們已經(jīng)開始利用金屬磁性顆粒復(fù)合介質(zhì)或磁性多層膜中出現(xiàn)的巨磁電阻效應(yīng)制作一些應(yīng)用的器件，但是理論上在微觀尺度范圍內(nèi)對巨磁電阻效應(yīng)的理解還有不清楚和不夠深入的地方。本文將著重研究金屬磁性顆粒復(fù)合介質(zhì)的磁學(xué)行為和巨磁電阻效應(yīng)在外磁場作用下與磁性顆粒的尺寸、空間分布、濃度等的關(guān)系。本文首先對這種顆粒復(fù)合介質(zhì)中出現(xiàn)的各種磁化現(xiàn)象進(jìn)行了討論，并證實(shí)了體系中出現(xiàn)的磁滯現(xiàn)象和一些不可逆的磁化過程是由于在一定溫度下被阻塞磁性顆粒磁矩的不可逆翻轉(zhuǎn)造成的。我們在區(qū)分了超順磁顆粒和被阻塞的鐵磁性顆粒對電子傳導(dǎo)過程引起的不同效應(yīng)后，發(fā)展了組合雙通道模型與有效介質(zhì)理論的方法，對電子在磁性顆粒間的自旋相關(guān)散射的微觀過程作了統(tǒng)計(jì)物理的計(jì)算，得到了體系的巨磁電阻隨外加磁場、顆粒濃度、溫度等變化的關(guān)系。我們在考慮了傳導(dǎo)電子在不同磁性顆粒間散射時可能存在的微觀過程，提出了一個宏觀的統(tǒng)計(jì)唯象理論，解釋了一些實(shí)驗(yàn)中磁電阻隨溫度的變化關(guān)系。在推廣的Gittleman理論基礎(chǔ)上，我們運(yùn)用蒙特卡羅方法模擬了金屬磁性顆粒復(fù)合介質(zhì)中的巨磁電阻效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在考慮磁性顆粒的尺寸分布以及它們之間的相互作用后，能夠較胭解釋實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的一些巨戳電阻現(xiàn)象。我們比較了系統(tǒng)在脯不同哈密頓量時的磁電阻變化關(guān)系，并在考慮了磁性顆粒間的相互作用后，比較了體系在不同維度和不同顆粒尺寸分布條件下的磁電阻效應(yīng)。我們發(fā)現(xiàn)寬化的顆粒尺寸分布是引起磁電阻偏離磁化強(qiáng)度二次方關(guān)系的一0個重要因素。在梗擬戳性顆粒濃蠢電阻的影響時，我們將傳導(dǎo)電子的微觀0散射過程具體化，提出了將無規(guī)電阻網(wǎng)絡(luò)與蒙特卡羅模擬相結(jié)合的施，由此得出了磁電阻隨濃度的增加而出現(xiàn)了峰值，其峰顧應(yīng)的濃度與實(shí)驗(yàn)上觀測到的濃度范圍相符，并比較了體系磁電阻隨濃度的變化在二維及三維情形下的不同。對于朋磁性顆粒復(fù)合體系的巨磁電阻效應(yīng)，人們通常認(rèn)為當(dāng)外加磁場為零時，這些細(xì)小磁顆粒的磁矩?zé)o規(guī)分布在介質(zhì)中，對于自旋方向向上及自旋方向向下的傳導(dǎo)電子在介質(zhì)中傳導(dǎo)時，將受到雜亂無章取向的顆粒磁矩的散射，因而具攤高的電阻。當(dāng)外加一強(qiáng)磁場后，這娜粒磁矩將沿外加磁場的取向而排列。這些有序化的磁矩排列對某一種自旋取向的傳導(dǎo)電子將引起一種短路效應(yīng)，從而使整體的電阻下降，產(chǎn)生了所謂的巨磁電腴應(yīng)。這種基于與電子自旋相關(guān)散射的模型通常也稱為雙通道模型口w。ChanndModel八我們認(rèn)為電子自旋相關(guān)的散射主要是發(fā)生在磁性顆粒與非磁性基質(zhì)間的界面層處，原因是這些磁性顆粒形成了很強(qiáng)的局域磁場，從而對于不同自旋取向的傳導(dǎo)電子將產(chǎn)生不同程度的散射勢能，由此導(dǎo)致了不同的電阻通道。所以金屬磁性顆粒復(fù)合介質(zhì)中的巨磁電阻現(xiàn)象與磁娜粒磁矩的取向密切相關(guān)，因此研究這些無規(guī)分布磁性顆粒的磁學(xué)性質(zhì)是重要的。在研究巨磁電阻與外加磁場大小的變化關(guān)系中，我們首先將金屬磁性顆粒復(fù)合介質(zhì)中的超細(xì)磁性顆粒按照其在給定溫度下所展示出的不同物理性質(zhì)而分為