鐵磁金屬納米點(diǎn)接觸的磁電阻

程 浩,劉 鴻,汪令江,鄭勇林

(成都大學(xué)電子信息工程學(xué)院,四川成都 610106)

鐵磁金屬納米點(diǎn)接觸的磁電阻

程 浩,劉 鴻,汪令江,鄭勇林

(成都大學(xué)電子信息工程學(xué)院,四川成都 610106)

分析和比較了運(yùn)用不同制作方法制作的鐵磁金屬納米點(diǎn)接觸樣品的彈道磁電阻現(xiàn)象,探討了由于磁致伸縮或微磁力等機(jī)械因素引起的力致電阻效應(yīng)對(duì)納米點(diǎn)接觸樣品電阻的變化所產(chǎn)生的影響,在實(shí)驗(yàn)中得出了樣品在磁場(chǎng)作用下所觀察到的大比例的彈道磁電阻效應(yīng)可能與力致電阻效應(yīng)相關(guān).

鐵磁金屬點(diǎn)接觸;磁電阻;力致電阻

0 引 言

自在實(shí)驗(yàn)室中從鐵磁性金屬機(jī)械納米接觸樣品中發(fā)現(xiàn)了超過200%的磁電阻現(xiàn)象以來,無論對(duì)于工業(yè)界還是學(xué)術(shù)界,鐵磁性金屬納米點(diǎn)接觸樣品的輸運(yùn)特性一直是研究的熱點(diǎn)[1].目前,在一些實(shí)驗(yàn)中,有超過100 000%的磁電阻現(xiàn)象的報(bào)道[2],這就意味著其只能是一種極化取向的電子通過納米接觸,通常將這種在鐵磁金屬納米點(diǎn)接觸樣品中所觀察到的高比例磁電阻現(xiàn)象稱為彈道磁電阻效應(yīng).彈道磁電阻現(xiàn)象主要是由于極窄的疇壁對(duì)不同取向的極化電子散射率的極大差別所引起,也就是說,只允許一種極化取向的電子通過納米接觸,而另一種極化取向的電子基本上不通過納米接觸.由于彈道磁電阻效應(yīng)被認(rèn)為是一種納米尺度乃至原子尺度的自旋電子相關(guān)的效應(yīng)及其具有更高比例的磁電阻現(xiàn)象,在未來超高密度信息磁存儲(chǔ)和量子計(jì)算機(jī)等方面的潛在應(yīng)用,在今后相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)其仍將是研究的熱點(diǎn).但隨著實(shí)驗(yàn)研究的深入,研究者逐漸發(fā)現(xiàn)在上述實(shí)驗(yàn)中所觀察到的高比例的磁電阻現(xiàn)象可能還與納米點(diǎn)接觸的機(jī)械結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系,而并不完全是由于疇壁對(duì)不同極化取向的電子的散射率的不同所引起的,即處在磁場(chǎng)中的納米接觸樣品,其機(jī)械結(jié)構(gòu)隨著磁場(chǎng)的變化而改變,這對(duì)電阻的變化所造成的影響是不容忽略的.

所謂點(diǎn)接觸樣品,是指通過壓力或其他方式使兩個(gè)晶體表面之間直接形成導(dǎo)電通道.目前所研究的點(diǎn)接觸樣品都是納米尺度的,以區(qū)別于量子化電導(dǎo)現(xiàn)象的點(diǎn)接觸樣品.典型的點(diǎn)接觸樣品的制作方法有機(jī)械、電化學(xué)和納米顆粒冷壓.由于電化學(xué)的方法能夠準(zhǔn)確控制點(diǎn)接觸樣品的接觸面積的大小,也就是樣品的電阻,因此,在研究點(diǎn)接觸樣品的電子彈道傳輸行為中更為常用.本文分析報(bào)告了運(yùn)用3種典型制作納米點(diǎn)接觸樣品方法制作的鐵磁金屬納米點(diǎn)接觸樣品中所觀察到的高比例的磁電阻現(xiàn)象,并分析討論了在磁場(chǎng)的作用下,鐵磁金屬納米點(diǎn)接觸樣品由于受到磁場(chǎng)所產(chǎn)生的磁力的作用而導(dǎo)致樣品電阻的變化.

1 鐵磁金屬納米點(diǎn)接觸樣品磁電阻現(xiàn)象

1.1 機(jī)械方法制作鐵磁金屬樣品及磁電阻曲線

將2根直徑為125μm的鐵磁金屬線按照如圖1所示的“T”型結(jié)構(gòu)在平面玻璃表面上進(jìn)行排列,其中圖1中所示“Ⅱ”線的兩端用膠水固定在玻璃表面上,“Ⅰ”線的一端進(jìn)行電化學(xué)拋光處理,使之形成表面光滑,不帶毛刺的尖端;將線“Ⅰ”的尖端和線“Ⅱ”面對(duì)面放置,并在線“Ⅰ”的末端施加一定的壓力使線“Ⅰ”和線“Ⅱ”之間形成導(dǎo)電通道,線“Ⅰ”和“Ⅱ”分別和直流電源的正負(fù)電極相連,調(diào)節(jié)直流電源的大小,使之保持恒定值+2 V;在導(dǎo)線“Ⅰ”的末端施加不同的力,由線“Ⅰ”和“Ⅱ”所組成的導(dǎo)電回路的電流將發(fā)生變化,也就是樣品的點(diǎn)接觸處的電阻發(fā)生變化,相應(yīng)的點(diǎn)接觸面積大小也會(huì)發(fā)生變化.為了盡量消除由于磁致伸縮和微磁力等機(jī)械因素對(duì)樣品接觸處的結(jié)構(gòu)發(fā)生影響,需要將線“Ⅰ”和“Ⅱ”的絕大部分用強(qiáng)力膠水覆蓋固定在平面玻璃表面上,在圖1中,只有尖點(diǎn)所示納米點(diǎn)接觸處未被覆蓋.將樣品放在變化的磁場(chǎng)中進(jìn)行磁阻測(cè)量,我們發(fā)現(xiàn),由鐵磁點(diǎn)接觸樣品所組成的回路的電阻隨外磁場(chǎng)的變化而變化.典型的鎳—鎳鐵磁金屬機(jī)械納米點(diǎn)接觸樣品的磁阻曲線如圖2所示.需要說明的是,圖2中的曲線為所施加的磁場(chǎng)方向平行于線“Ⅰ”的樣品磁阻曲線,當(dāng)所施加的磁場(chǎng)方向平行于線“Ⅱ”時(shí)的樣品磁阻曲線與圖2類似.

圖1 “T”型結(jié)構(gòu)的鐵磁金屬納米點(diǎn)接觸樣品,經(jīng)過電化學(xué)處理的線“Ⅰ”和線“Ⅱ”之間形成點(diǎn)接觸

圖2 機(jī)械方法制作的鐵磁金屬點(diǎn)接觸樣品的磁電阻曲線,相應(yīng)的磁場(chǎng)方向平行于線“Ⅰ”

1.2 電化學(xué)方法制作鐵磁金屬樣品及磁電阻曲線

運(yùn)用電化學(xué)刻蝕和沉積的方法可以準(zhǔn)確而方便地控制納米點(diǎn)接觸樣品的電阻,也就是點(diǎn)接觸處面積的大小.

按照如圖1所示,在平面玻璃表面上對(duì)2根直徑為125μm的鐵磁金屬線做“T”型結(jié)構(gòu)排列,由于我們所研究的是運(yùn)用電化學(xué)沉積的方法來形成納米點(diǎn)接觸樣品,所以在電化學(xué)沉積以前,線“Ⅰ”經(jīng)過電化學(xué)處理的光滑末端與線“Ⅱ”之間需要保持一個(gè)微米尺度的間隙,以便在圖中所示線“Ⅰ”上進(jìn)行電化學(xué)沉積,使線“Ⅰ”得到延長(zhǎng),從而與線“Ⅱ”形成納米點(diǎn)接觸樣品.在實(shí)驗(yàn)中,電化學(xué)沉積的條件是：225 g/L FeSO4.7H2O,120 g/L Na2SO4.10H2O,PH值為3,陰極電勢(shì)-4 V.制作的鐵磁金屬樣品的磁電阻曲線如圖3所示.

圖3 電化學(xué)方法制作的鐵磁金屬點(diǎn)接觸樣品的磁電阻曲線,相應(yīng)的磁場(chǎng)方向平行于線“Ⅰ”

1.3 冷壓法制作鐵磁金屬樣品及磁電阻曲線

另一種形成納米點(diǎn)接觸樣品的方法是將金屬顆粒冷壓,形成由金屬顆粒組成的陣列結(jié)構(gòu)如圖4所示.在實(shí)驗(yàn)中,納米尺度的Fe3O4表面被一層薄的絕

圖4 表面包裹一層FE2O3絕緣層的Fe3O4納米顆粒的HRTEM圖像,表明顆粒的尺寸小于10納米

緣材料Fe2O3所包裹.高純度的Fe3O4顆粒是通過固態(tài)反應(yīng)法制備的：首先,將Fe粉末在空氣中加熱到775℃進(jìn)行氧化,然后在氧氣的條件下將粉末樣品加熱到1 425℃并保持700 min左右,以便在粉末表面形成一層Fe2O3絕緣層.圖5是在這類樣品中所測(cè)得的磁阻曲線.

圖5 冷壓法制作的包裹Fe2O3絕緣層的Fe3O4納米顆粒陣列樣品的磁電阻曲線

2 討 論

在樣品的尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子的平均自由程時(shí),電子是以擴(kuò)散的方式在樣品體內(nèi)進(jìn)行傳輸,電子的電導(dǎo)由材料的外圍電子能帶結(jié)構(gòu)和樣品的缺陷造成的電子散射率的不同所共同決定的.公式(1)給出了自由電子傳輸Drude電導(dǎo)率,

從公式(1)我們可以看出,電子電導(dǎo)由電子結(jié)構(gòu)包括費(fèi)米波矢KF或電子數(shù)的密度n和電子的質(zhì)量m之比,以及散射量包括平均自由程l或弛豫時(shí)間τ決定.在電子彈道傳輸區(qū)域,樣品的尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電子平均自由程,電子的電導(dǎo)僅由外圍電子能帶結(jié)構(gòu)決定,而與缺陷造成的電子的散射過程無關(guān).在鐵磁體材料中,磁疇被定義為具有相同磁化方向的一個(gè)小區(qū)域,根據(jù)系統(tǒng)的能量最低原理,由多個(gè)不同磁化方向的磁疇所組成鐵磁體材料的凈磁化強(qiáng)度為零,相鄰磁疇之間的磁化方向不是驟然改變的,而是一個(gè)逐漸變化的過程.因此,把在不同磁化方向的磁疇之間磁化方向逐漸變化的區(qū)域稱為疇壁.在鐵磁金屬點(diǎn)接觸樣品等介觀系統(tǒng)中,同樣需要磁疇—疇壁結(jié)構(gòu),以維持整個(gè)樣品系統(tǒng)的凈磁化強(qiáng)度為零.在鐵磁體材料當(dāng)中,疇壁的厚度一般大于10 000個(gè)原子層的厚度,理論上預(yù)計(jì)疇壁的厚度隨著樣品的尺度的減小而減小[3],它的極端情況就是在鐵磁金屬點(diǎn)接觸樣品中,在點(diǎn)接觸處存在著納米乃至原子尺度的疇壁.在鐵磁體材料中,由于疇壁的寬度較寬,因此對(duì)不同極化方向的電子的導(dǎo)電行為不加以區(qū)別,也即不顯著影響樣品的電阻[4].

隨著納米加工技術(shù)和自旋電子學(xué)的發(fā)展,實(shí)驗(yàn)上可以測(cè)量單個(gè)疇壁對(duì)電子的導(dǎo)電行為發(fā)生的影響[5-8],由疇壁引起的電阻有時(shí)候?yàn)樨?fù)[5],有時(shí)候?yàn)檎齕6-8],兩種作用結(jié)果都得到了理論上的解釋[9-11].在鐵磁金屬納米點(diǎn)接觸樣品中,在點(diǎn)接觸處附近存在著磁疇和疇壁結(jié)構(gòu),隨著所施加的磁場(chǎng)的改變,磁疇和疇壁會(huì)發(fā)生相應(yīng)的移動(dòng),當(dāng)隨磁場(chǎng)發(fā)生移動(dòng)的疇壁正好位于納米點(diǎn)接觸處時(shí),相應(yīng)的疇壁變得最薄,對(duì)一種極化取向的電子的散射程度也最為強(qiáng)烈,而對(duì)另一極化取向的電子的散射較弱[12],也即不同極化取向的電子對(duì)極窄的疇壁的透過率不同,公式(2)[13]直觀地給出了電子的電導(dǎo),

式中,T表示電子的透過率.

需要說明的是,本文所列舉的3種典型納米點(diǎn)接觸樣品的制作方法存在著和現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝的兼容問題,因此很多科學(xué)工作者運(yùn)用掩膜的納米光刻技術(shù)在半導(dǎo)體表面制作納米尺度的點(diǎn)接觸樣品[14-16],而在這類樣品中并沒有發(fā)現(xiàn)所期待的大比例的磁電阻現(xiàn)象,這使得在實(shí)驗(yàn)中所觀察到的大比例的彈道磁電阻效應(yīng)的起源引起了廣泛的爭(zhēng)論.當(dāng)鐵磁金屬納米點(diǎn)接觸樣品放在變化的磁場(chǎng)中,由于受到磁致伸縮和微磁力的作用,點(diǎn)接觸的界面結(jié)構(gòu)必然會(huì)發(fā)生機(jī)械變化,這些變化當(dāng)然會(huì)引起點(diǎn)接觸樣品電阻的變化,稱之為力致電阻效應(yīng),電阻的變化是由機(jī)械因素引起的界面的原子重新排列所引起[17,18].

3 結(jié) 論

目前,在實(shí)驗(yàn)上還缺乏手段來表征納米區(qū)域的磁結(jié)構(gòu),因此用極窄的疇壁對(duì)不同極化取向的電子散射率的不同來解釋極大比例的彈道磁電阻效應(yīng)缺乏直接的證據(jù).另一方面,由于磁致伸縮和微磁力等力致電阻效應(yīng)引起的鐵磁金屬納米點(diǎn)接觸樣品在接觸界面發(fā)生的原子重新排列不可避免,由原子重新排列引起的樣品電阻的變化對(duì)我們所測(cè)量的極大比例的磁電阻效應(yīng)的影響是不可忽略的.

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Magnetoresistance of Ferromagnetic Nanocontacts

CHENG Hao,LIU Hong,WANGLingjiang,ZHENG Yonglin

(School of Electronic and Information Engineering,Chengdu University,Chengdu 610106,China)

The Ballistic Magnetoresistance of the ferromagnetic nanocontacts samples fabricated by different making methods were studied and compared.Impacts of the magnetoresistance induced by mechanical factors such as the magnetostriction and tiny magnetic force on the resistance change of nanocontacts were discussed.The conclusion is that the observed high ratio magnetoresistance may be related to magnetostriction and magnetic dipole force in the ferromagnetic point nanocontacts.

ferromagnetic metal nanocontact;magnetoresistance;resistance induced by force

TB383

：A

2010-07-16.

程 浩(1973—),男,博士,副教授,從事材料物理與化學(xué),新能源發(fā)電技術(shù)研究.