Fe/MgO顆粒膜的磁性質(zhì)及磁電阻

楊艷霞

（山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西大同037009）

Fe/MgO顆粒膜的磁性質(zhì)及磁電阻

楊艷霞

（山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西大同037009）

用直流磁控交替濺射法制備了一系列含F(xiàn)e體積分?jǐn)?shù)VFe不同的Fe∕MgO顆粒膜，用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM）測(cè)量了常溫下Fe∕MgO顆粒膜樣品的磁性質(zhì)；研究了樣品磁電阻和外界磁場(chǎng)及含F(xiàn)e體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系，用四端法測(cè)量了Fe∕MgO顆粒膜室溫及15K下的磁電阻（MR）。

顆粒膜；磁性質(zhì)；磁電阻

鐵磁金屬納米顆粒是由鐵磁性金屬分散在氧化物絕緣介質(zhì)中形成的顆粒膜，自1992年berkowitz[1]與xiao[2]在Co∕Cu顆粒膜中發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng),1995年，H.Fujimori[3]研究小組首次報(bào)道了Co-Al-O系統(tǒng)中室溫下的巨磁電阻效應(yīng)，1996年A.Milner等[4]在Co(Ni)∕SiO2系統(tǒng)中也發(fā)現(xiàn)了巨大磁電阻效應(yīng)以來，科學(xué)家對(duì)磁性金屬-絕緣體顆粒膜系統(tǒng)的的巨磁電阻效應(yīng)、高頻軟磁性能、巨霍爾效應(yīng)、高矯頑力效應(yīng)等新特性都進(jìn)行了深入的研究。而MgO作為一種常見的絕緣體材料因其良好的耐高溫性引起了人們的廣泛注意。鑒于此本論文研究了VFe不同的Fe∕MgO顆粒膜樣品的電磁性質(zhì)及其磁電阻。

1 樣品制備及測(cè)量

采用超真空多靶磁控濺射系統(tǒng)，交替濺射法制備VFe不同的Fe∕MgO顆粒膜。磁控室本底真空優(yōu)于5.0×10-5Pa，濺射氣體為高純Ar氣，工作時(shí)Ar氣氣壓為1.0 Pa，薄膜的沉積速率依靠選擇不同得到濺射功率來調(diào)節(jié)，鍍膜過程中再通過改變每一層中MgO和Fe的濺射時(shí)間控制樣品的成分，顆粒大小以及間距，所有樣品濺射過程中，MgO顆粒和Fe顆粒的單層厚度均小于1nm。根據(jù)薄膜的小島生長模型，在此濺射厚度下的MgO和Fe單層均呈現(xiàn)為小島顆粒狀，而MgO層和Fe層的表面能不同，之間存在著表面能差異，所以交替沉積的Fe-MgO形成不連續(xù)多層的顆粒薄膜。所有樣品先濺射了2 nm的MgO作為緩沖層，然后交替濺射了40個(gè)周期，故樣品表示為 MgO(2 nm)∕[Fe(x nm)∕MgO(y nm)]40 其中 x和y分別為每周期中Fe和MgO單層厚度。

實(shí)驗(yàn)制備了VFe不同的四個(gè)樣品（A）21.48%（B）30.73%（C）35.36%（D）40.10%

用VSM測(cè)量了樣品的，測(cè)量時(shí)磁場(chǎng)平行于膜面。用變溫磁-電綜合測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量了VFe不同的條形樣品在室溫和15K下的磁電阻，在實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)，樣品用四端點(diǎn)法連接，條形樣品膜面平行于磁場(chǎng)方向且垂直于電流方向。

2 測(cè)量結(jié)果及討論

圖1 室溫下VFe不同的Fe/MgO顆粒膜磁化曲線

圖1所示的是室溫下具有2 nmMgO緩沖層的VFe不同的四個(gè)Fe∕MgO顆粒膜樣品的磁化曲線。測(cè)量時(shí)磁場(chǎng)從-20KOe～20KOe變化，為了減弱薄膜退磁場(chǎng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，我們采用了磁場(chǎng)方向和樣品膜面平行的方式來進(jìn)行測(cè)量。從圖中明顯可見，所有樣品均沒有矯頑力，且計(jì)算發(fā)現(xiàn)，四個(gè)樣品的磁化曲線均符合朗之萬函數(shù)：M=MS[coth(μH∕kT)-kT∕μH]。即樣品表現(xiàn)為超順磁性，且隨著VFe增加樣品的磁性也增強(qiáng)，即樣品越來越易被磁化。上式中Ms表征樣品的飽和磁化強(qiáng)度，k為玻爾茲曼常數(shù)，μ是磁性顆粒的總磁矩，而μ∕μ0=n=ρV∕m0，μ0=1.72μB、ρ=7.8 g ∕cm3、V=πd3∕6、m0=9.3*10-23g分別為Fe的原子磁矩、密度、顆粒體積、原子質(zhì)量。

巨磁電阻效應(yīng)，是指在外加磁場(chǎng)作用下磁性材料的電阻率比在無外磁場(chǎng)作用時(shí)材料的電阻率變化很大的現(xiàn)象。本文中的磁電阻定義為在外加磁場(chǎng)作用下材料的電阻與無外磁場(chǎng)作用下材料的電阻的差與無外磁場(chǎng)下的電阻的比值，即MR=(RH-R0)∕R0，R0和RH分別表示零磁場(chǎng)和磁場(chǎng)為H時(shí)的電阻。

圖2 VFe不同的Fe/MgO顆粒膜在室溫下（a）和5K（b）的MR-H曲線

圖2是測(cè)量的VFe不同的四個(gè)Fe∕MgO顆粒膜室溫下（a）和15K（b）時(shí)的磁電阻隨外加磁場(chǎng)變化的曲線圖，實(shí)驗(yàn)中磁場(chǎng)變化為-5000 Gs～5000 Gs，從圖中明顯可以看出，測(cè)量的四個(gè)樣品在室溫和低溫下都沒有達(dá)到飽和，且隨著VFe的增大，磁電阻也在增大，樣品A的MR最小，樣品D的MR最大，A室溫下MR=0.11%，15K時(shí)MR=0.18%，D室溫下MR=0.58%，15K時(shí)MR=0.74%。A-D四個(gè)樣品VFe在逐漸增加，電阻率卻在逐漸變小，而飽和磁化強(qiáng)度也在減小。這主要是由于VFe低的樣品其電阻率較高，且濺射過程中Fe顆粒也較小，從而顆粒間距變大，當(dāng)樣品處于外加磁場(chǎng)時(shí)，需要在很大的磁場(chǎng)作用，磁化強(qiáng)度才能達(dá)到飽和。且隨著樣品電阻率的減小，F(xiàn)e顆粒變大，此時(shí)樣品受到的熱擾動(dòng)及庫侖能的影響可以忽略，在足夠大的外磁場(chǎng)下作用下磁化強(qiáng)度很容易就達(dá)到飽和。李佐宜等[5]對(duì)影響納米顆粒膜磁電阻大小的顆粒尺寸、磁性組分等做了一些理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)納米顆粒膜的飽和磁化強(qiáng)度隨磁性成分的減少和顆粒的減小而增大。

圖3 室溫下VFe=40.10%Fe/MgO顆粒膜的磁滯回線以及-α(M/MS)2與MR的對(duì)照?qǐng)D

在研究磁性金屬顆粒膜時(shí)發(fā)現(xiàn)，相鄰顆粒的磁矩排列會(huì)對(duì)電子在磁性金屬顆粒間的傳導(dǎo)產(chǎn)生影響，而磁電阻則可以表示為[6]Δρ∕ρ∝-A(M∕MS)2。而這一規(guī)律也適用于FM-M顆粒膜。如圖3所示是在室溫下VFe=40.10%的Fe-MgO顆粒膜磁滯回線以及由此計(jì)算出來的-A(M∕MS)2與用變溫磁-電綜合測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量的磁電阻曲線的對(duì)比圖，很明顯測(cè)量樣品在室溫下是符合上述規(guī)律，說明可以用自旋相關(guān)的隧穿理論解釋該Fe∕MgO顆粒膜的磁電阻。

3 結(jié)論

采用直流磁控濺射系統(tǒng)交替濺射法在玻璃襯底上制備了具有2 nm MgO緩沖層的VFe為（A）21.48%（B）30.73%（C）35.36%（D）40.10% 的四個(gè)Fe-MgO顆粒膜，用VSM對(duì)樣品的磁性質(zhì)進(jìn)行了表征，其遵循朗之萬函數(shù)，具有超順磁性，且所有樣品均沒有矯頑力。在低場(chǎng)下其符合關(guān)系式Δρ∕ρ∝-A(M∕MS)2，說明該Fe-MgO顆粒膜的MR源于自旋相關(guān)的隧穿。四端法測(cè)量了不同VFe樣品的磁電阻，隨著VFe的增大，樣品磁電阻在增大，改變測(cè)量溫度，樣品的磁電阻也發(fā)生變化，樣品A的MR最小，樣品D的MR最大，A室溫下MR=0.11%，15 K時(shí)MR=0.18%，D在室溫下MR=0.58%，15 K時(shí)MR=0.74%。

[1]Berkowitz A E，Mitchell J R，Carey M J,et al．Magnetoresistance in Heterogeneous in Cu-Co Alloys[J].Phys Rev Left,1992,68：3745-3748．

[2]Xiao G,Jiang J S，Chien C C.Giant Magnetoresistance in Nonmultilayer Magnetic Systems[J].Phys Rev Lett,1992,68：3749-3752.

[3]Fujimori H,Mitani S,Ohnuma S.Tunnel-Type GMR in Metal-Nonmetal Granular Alloy Thin Films[J].Mater Sci Eng B,1995,31：219-223．

[4]Milner A，Gerber A，Groisman B，et a1.Spin-Dependent Electronic Transport in Granular Ferromagnets[J].Phys Rev Lett，1996,76：475-477.

[5]李佐宜,彭子龍,鄭遠(yuǎn)開,等.金屬顆粒膜巨磁電阻效應(yīng)的影響因素[J].物理學(xué)報(bào)，1998,47：1012-1017.

[6]Xiao J Q,Samuel Jiang J,Chien C L.Giant magnetoresistive properties in granular transition metals[J].IEEE.Trans on Mag,1993,MAG-29：2688.

Magnetic Property and Magnetoresistance in Fe/MgO Granular Films

YANG Yan-xia
(School of Physics and Electronic Science,Shanxi Datong University，Datong Shanxi，037009)

Fe∕MgO granular films with different volume fraction of Fe were prepared using sequential deposition technique.The magnetic and magnetoresistance properties were investigated.Vibrating sample magnetometer(VSM)from ADE was employed to examine the magnetic properties at room temperature.The magnetoresistance dependence on the magnetic field and the volume fraction of Fe is analyzed.magnetoresistance were measured with the conventional four-terminal technique at room temperature and 15K.

granular film;magnetic properties;magnetoresistance

O484

A

1674-0874(2016)01-0035-03

2015-11-06

山西大同大學(xué)青年科學(xué)研究項(xiàng)目[2013Q2]

楊艷霞(1985-)，女，山西應(yīng)縣人，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向：自旋電子學(xué)。

〔責(zé)任編輯 高彩云〕