Fe3O4及其復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備與磁電性能研究.pdf

1、高自旋極化率的材料由于其在自旋電子學(xué)方面的潛在應(yīng)用，近年來(lái)受到科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。Fe3O4由于其高的居里溫度、100％的自旋極化率和金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變，有望應(yīng)用在自旋電子學(xué)器件中，因此備受科學(xué)家們的關(guān)注。Fe3O4材料的制備工藝、磁性以及電輸運(yùn)性質(zhì)的研究也成為了凝聚態(tài)物理的研究熱點(diǎn)。本文首先采用超薄陽(yáng)極氧化鋁模板和激光分子束外延沉積技術(shù)制備了Fe3O4薄膜與納米點(diǎn)陣列，并對(duì)樣品的巨磁矩來(lái)源以及點(diǎn)陣特有的性質(zhì)進(jìn)行了探討；其次采用激光分子束

2、外延沉積技術(shù)將Fe3O4薄膜沉積在La0.7Ca0.3MnO3表面，構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)，研究了Fe3O4薄膜對(duì)不同厚度的La0.7Ca0.3MnO3薄膜金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變溫度的影響。主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　（1）采用激光分子束外延沉積技術(shù)制備了不同沉積溫度和不同厚度的Fe3O4薄膜。系統(tǒng)的研究了沉積溫度和厚度對(duì)Fe3O4薄膜結(jié)構(gòu)、磁學(xué)和輸運(yùn)性質(zhì)的影響。結(jié)果表明：低溫有利于二維層狀生長(zhǎng)，但結(jié)晶度較差；高溫傾向于三維島狀生長(zhǎng)，但取向較差。綜合

3、薄膜結(jié)構(gòu)和磁性測(cè)試結(jié)果，600℃為最佳沉積溫度。飽和磁化強(qiáng)度的大小受薄膜厚度的影響非常大。以15 nm為分水嶺，低于15 nm時(shí)，薄膜厚度越小飽和磁化強(qiáng)度越大，3 nm時(shí)達(dá)到1017 emu/cm3；高于15 nm時(shí)，飽和磁強(qiáng)度接近塊體的飽和磁化強(qiáng)度值。結(jié)合結(jié)構(gòu)、磁學(xué)以及輸運(yùn)結(jié)果，通過(guò) X射線磁圓二色譜結(jié)果得到，F(xiàn)e3O4超薄膜的巨磁矩來(lái)源于Fe離子的自旋翻轉(zhuǎn)：即四面體間隙內(nèi)的Fe3+的自旋方向與八面體間隙內(nèi)的Fe離子的自旋方向由反平行

4、變?yōu)槠叫小?br>　　（2）采用超薄陽(yáng)極氧化鋁模板輔助激光分子束外延沉積技術(shù)制備了Fe3O4納米點(diǎn)陣列。結(jié)果表明：納米點(diǎn)陣列表現(xiàn)出了與薄膜不同的性質(zhì)。通過(guò)磁性測(cè)量我們發(fā)現(xiàn)，納米點(diǎn)陣列的飽和磁化強(qiáng)度與薄膜相比變小了，這可能是由于納米點(diǎn)表面的電子自旋傾斜造成的；薄膜表現(xiàn)為面內(nèi)易磁化，而對(duì)于納米點(diǎn)陣列，隨著納米點(diǎn)直徑的減小，各向異性逐漸減弱，這可能是由于磁滯伸縮、形狀各向異性能和磁晶各向異性能減小所引起的；與此同時(shí)，其矯頑力也逐漸減小，說(shuō)明薄

5、膜與大直徑的點(diǎn)陣的磁化翻轉(zhuǎn)機(jī)制為疇壁移動(dòng)，而點(diǎn)陣直徑較小的點(diǎn)陣列的磁化翻轉(zhuǎn)機(jī)制為一致翻轉(zhuǎn)；當(dāng)點(diǎn)陣直徑減小到40 nm的時(shí)候，Verwey轉(zhuǎn)變消失，這可能是因?yàn)榧{米點(diǎn)內(nèi)部的電子跳躍能量勢(shì)壘小于納米點(diǎn)之間的隧穿勢(shì)壘，造成電子跳躍的長(zhǎng)程序阻斷。
　?。?）采用激光分子束外延沉積技術(shù)制備了La0.7Ca0.3MnO3單層薄膜以及Fe3O4/La0.7Ca0.3MnO3復(fù)合結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：隨著厚度逐漸增大，在相同的外加磁場(chǎng)下，La0.7Ca

6、0.3MnO3單層薄膜的金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變溫度逐漸升高，并且表現(xiàn)出了很強(qiáng)的磁電阻效應(yīng)。對(duì)于20 nm厚的La0.7Ca0.3MnO3單層薄膜，在外加磁場(chǎng)為5 T下，磁電阻率達(dá)到1600%。覆蓋Fe3O4薄膜以后，以20 nm為例，在0 T外場(chǎng)下的金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變溫度從160 K提高到200 K，而且，其磁電阻率幾乎沒(méi)有受到影響，在外加磁場(chǎng)為5 T下，磁電阻率依然可以達(dá)到1500%。根據(jù)覆蓋Fe3O4薄膜之前和之后的La0.7Ca0.3Mn

7、O3薄膜的電阻和飽和磁化強(qiáng)度的變化，我們認(rèn)為位于Fe3O4下方的Mn離子與Fe3O4薄膜中的Fe離子發(fā)生了反鐵磁耦合作用，使得Fe3O4/La0.7Ca0.3MnO3復(fù)合結(jié)構(gòu)的金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變溫度得到了提高。
　　總之，我們制備了Fe3O4超薄膜，發(fā)現(xiàn)了巨磁矩現(xiàn)象，并對(duì)其產(chǎn)生的物理機(jī)制進(jìn)行了分析；并且首次制備了Fe3O4納米點(diǎn)陣列，對(duì)其結(jié)構(gòu)以及磁性與相應(yīng)的薄膜進(jìn)行了比較與分析。我們成功利用Fe3O4超薄膜與La0.7Ca0.3Mn