鈣鈦礦錳氧化物中的巨磁阻抗效應(yīng)研究.pdf

1、可以用來制造高靈敏度傳感器、大容量快速讀寫磁記錄設(shè)備以及其他各種磁電子器件的具備靈敏磁響應(yīng)特性的材料，一直以來是人們探索和追求的目標(biāo)。自從霍爾效應(yīng)以及非磁性金屬的內(nèi)稟磁電阻現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來，人們就開始試著將其應(yīng)用到傳感器等領(lǐng)域。然而，這種由于運(yùn)動中的電子在外加磁場下受到洛侖茲力發(fā)生偏轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的磁電現(xiàn)象，其靈敏度一般比較低，在實際應(yīng)用中，往往效果并不好。而隨著時代的發(fā)展，傳統(tǒng)半導(dǎo)體晶體管尺寸已經(jīng)縮減至幾個納米，即將步入介觀體系物理，受到一系

2、列量子干涉效應(yīng)的影響而使經(jīng)典物理定律失效。因而開發(fā)新型的磁電效應(yīng)以保持傳感器、磁讀寫等設(shè)備領(lǐng)域的高速發(fā)展趨勢，成為了時代的要求。
　　 1988年，巨磁電阻效應(yīng)在Fe/Cr多層膜中被發(fā)現(xiàn)。在外加磁場的作用下，Cr兩側(cè)的Fe層可以克服反鐵磁性耦合，實現(xiàn)磁矩平行排列，從而大大降低了系統(tǒng)的電阻值。這一革命性的發(fā)現(xiàn)迅速給磁記錄、磁讀取以及磁傳感器設(shè)備帶來了飛躍。而將物質(zhì)的電性與磁性相聯(lián)系的磁電子學(xué)，也成了新興的熱門學(xué)科。
　　

3、鈣鈦礦錳氧化物材料因其雙交換作用而在居里溫度以下具有鐵磁性和金屬導(dǎo)電性，是結(jié)構(gòu)、自旋、磁性、電性的強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系。1993年，這一體系的龐磁電阻效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)，其在居里溫度附近變化率甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了巨磁電阻效應(yīng)，因而引起了人們的廣泛興趣。然而，龐磁電阻效應(yīng)依然具有一些局限性，較大變化率只出現(xiàn)在居里溫度附近，且需要幾個特斯拉的強(qiáng)外加磁場才能使其電阻率發(fā)生明顯變化。這無疑會大大限制其應(yīng)用前景。進(jìn)入新世紀(jì)以來，這一體系的巨磁阻抗效應(yīng)開始進(jìn)入人們的視野中

4、來。
　　 巨磁阻抗效應(yīng)最早在金屬軟磁材料中被發(fā)現(xiàn)，其原理為外加磁場導(dǎo)致的橫向/圓周磁導(dǎo)率的變化通過趨膚深度來影響樣品的交流輸運(yùn)特性。在幾十個奧斯特的低外加磁場下，巨磁阻抗效應(yīng)就能獲得-50％左右的交流磁響應(yīng)變化率。這無疑使其具有非常巨大的應(yīng)用價值。與金屬軟磁材料類似，鈣鈦礦錳氧化物在居里溫度以下也具有很高的飽和磁化強(qiáng)度和較低的矯頑力，這使得在這一體系中獲得巨磁阻抗效應(yīng)成為可能。2000年，胡季帆與秦宏偉首先在鈣鈦礦錳氧化物材料

5、 La0.67Ba0.33MnO3的多晶塊狀樣品中發(fā)現(xiàn)了室溫巨磁阻抗效應(yīng)，其磁響應(yīng)靈敏度遠(yuǎn)大于直流磁電阻效應(yīng)。隨后，其他鈣鈦礦錳氧化物材料中的巨磁阻抗效應(yīng)陸續(xù)被報道。與金屬軟磁材料的巨磁阻抗效應(yīng)大多在一百奧斯特以內(nèi)就趨于飽和不同，鈣鈦礦錳氧化物體系的巨磁阻抗效應(yīng)在幾百個奧斯特的外加磁場下，可以持續(xù)地獲得很高的磁響應(yīng)靈敏度，這無疑使其具有獨(dú)特的應(yīng)用價值，值得人們?nèi)ダ^續(xù)探索和研究。
　　 由于磁性原理和導(dǎo)電特性的不同，鈣鈦礦錳氧化物

6、材料巨磁阻抗效應(yīng)的表現(xiàn)也與金屬軟磁材料中的有所不同。因此，有必要對鈣鈦礦錳氧化物材料巨磁阻抗效應(yīng)的原理及現(xiàn)象進(jìn)行深入的研究比較。與此同時，通過探索不同的測量手段，獲得更大的巨磁阻抗效應(yīng)變化率以提高其應(yīng)用價值，也有著十分重要的意義。而為了應(yīng)對磁傳感器和磁讀寫記錄裝置的小型化要求，對鈣鈦礦錳氧化物納米顆粒及薄膜材料的巨磁阻抗效應(yīng)的研究也十分必要。
　　 本論文對鈣鈦礦錳氧化物材料巨磁阻抗效應(yīng)的研究主要包括以下結(jié)果:
　　 1

7、、室溫下La0.65Ba0.35MnO3溶膠-凝膠塊狀樣品的巨磁阻抗效應(yīng)。
　　 我們采用溶膠-凝膠法制備了La0.65Ba0.35MnO3塊狀樣品，并分別用四探針法和繞線法進(jìn)行了巨磁阻抗效應(yīng)的測量。使用四探針法測量，可以在H=500 Oe外加磁場下獲得最大為△R/R0=-53.9％的交流磁電阻、△X/X0=-36.0％的磁電抗以及△Z/Z0=-27.8％的巨磁阻抗效應(yīng)值。經(jīng)過與橫向磁導(dǎo)率隨外加磁場的變化規(guī)律的對比，我們認(rèn)為鈣鈦

8、礦錳氧化物的巨磁阻抗效應(yīng)與橫向磁導(dǎo)率在外加磁場作用下的變化密切相關(guān)，橫向磁導(dǎo)率的變化會通過改變交流輸運(yùn)的趨膚深度來影響樣品的阻抗的大小。而對同一La0.65Ba0.35MnO3溶膠-凝膠塊狀樣品使用繞線法測量的結(jié)果表明，繞線法比起傳統(tǒng)的四探針法可以獲得更大的巨磁阻抗效應(yīng)值，室溫H=500 Oe外加磁場下，使用繞線法獲得的最大交流磁電阻可達(dá)△R/R0=-95.0％，最大磁電抗可達(dá)△X/X0=-80.7％，最大巨磁阻抗效應(yīng)值可達(dá)△Z/Z0=

9、-80.6％。這是目前為止在鈣鈦礦錳氧化物體系中所報道的最靈敏的巨磁阻抗效應(yīng)之一。使用繞線法測量的交流阻抗與繞線樣品沿長度方向的縱向磁導(dǎo)率有關(guān)。通過公式推導(dǎo)以及磁導(dǎo)率隨外加磁場變化率的測量對比，我們認(rèn)為使用繞線法獲得的阻抗值與縱向磁導(dǎo)率之間成近似的線性關(guān)系，因此巨磁阻抗效應(yīng)值與縱向磁導(dǎo)率的變化率之間也是近似的線性關(guān)系。這使得繞線法可以更充分的將外加磁場作用下磁導(dǎo)率的變化率轉(zhuǎn)化為巨磁阻抗效應(yīng)值。從而獲得更加靈敏的交流磁響應(yīng)。
　　

10、 2、樣品尺度及測量參數(shù)對巨磁阻抗效應(yīng)值大小的影響。
　　 我們使用四探針法測量了不同厚度的La0.7Sr0.3MnO3溶膠-凝膠塊狀樣品的巨磁阻抗效應(yīng)。結(jié)果表明，具有更大厚度的樣品，傾向于在更低的頻率下表現(xiàn)出更明顯的趨膚效應(yīng)以及巨磁阻抗效應(yīng)的最大值。而不同匝數(shù)下使用繞線法測量的La0.65Ba0.35MnO3樣品的巨磁阻抗效應(yīng)的結(jié)果表明，使用更大的繞線匝數(shù)或者繞線密度可以獲得更高的巨磁阻抗效應(yīng)值。這些研究可以幫助我們探索如何獲

11、得更靈敏的巨磁阻抗效應(yīng)以提高其應(yīng)用價值。
　　 3、顆粒邊界效應(yīng)對巨磁阻抗效應(yīng)的影響。
　　 在實驗中，我們廣泛采用了溶膠-凝膠法制備鈣鈦礦錳氧化物粉末。這些樣品的平均顆粒尺寸普遍小于1μm。其中La0.7Sr0.3MnO3以及La0.75Ba0.25MnO3溶膠-凝膠樣品都在直流情況下觀測到了典型的顆粒邊界效應(yīng)。然而在交流下，顆粒邊界的存在對于La0.7Sr0.3MnO3樣品的室溫巨磁阻抗效應(yīng)并沒有明顯影響。對于平均顆

12、粒大小為1μm的La0.75Ba0.25MnO3樣品，其在直流及交流的低頻情況由于顆粒邊界的影響而出現(xiàn)的雙電阻峰，隨著交流頻率的增加，逐漸被因為趨膚效應(yīng)而隆起的電阻峰所掩蓋。高頻下，顆粒邊界效應(yīng)在交流電阻上的影響并不明顯。然而顆粒邊界效應(yīng)卻在電抗X上表現(xiàn)明顯。極低頻下，樣品中可以觀測到極小的負(fù)電抗，與顆粒邊界的電容性有關(guān)，而高頻下，電抗變?yōu)檎担憩F(xiàn)出電感特性。在f=20 MHz的高頻下，可以觀測到因顆粒邊界的存在而在低溫隆起的X峰，證

13、明顆粒邊界區(qū)域中含有弱的鐵磁金屬性。因而我們可得出結(jié)論，在交流情況下，顆粒邊界并不是簡單的隧穿絕緣相，而是混合了弱金屬導(dǎo)電性、弱鐵磁性、絕緣性和順磁性等復(fù)雜性質(zhì)的綜合體系。隨著樣品的顆粒大小、邊界區(qū)域大小的不同，以及交流頻率、溫度等實驗條件的不同，顆粒邊界區(qū)域可能會表現(xiàn)出不同的性質(zhì)。另外，由于顆粒邊界效應(yīng)的影響，不同溫度下La0.75Ba0.25MnO3樣品的巨磁阻抗效應(yīng)的最大值出現(xiàn)在了低于居里溫度的室溫附近，這無疑為其應(yīng)用前景提供了很

14、高的價值。
　　 4、鈣鈦礦錳氧化物薄膜的交流磁輸運(yùn)特性
　　 我們使用激光脈沖沉積技術(shù)，分別在LaAlO3(100)襯底上生長了La0.67Sr0.33MnO3薄膜，在Si(100)襯底上制備了La0.75Sr0.25MnO3多晶薄膜。兩種薄膜樣品在室溫下均具有鐵磁金屬相，并且觀測到了本征的直流磁電阻現(xiàn)象。然而，在交流情況下，兩者的導(dǎo)電性都受到了絕緣性襯底的影響，在高頻下表現(xiàn)出了一定的電容導(dǎo)電特性。其中LaAlO3襯底

15、上生長的La0.67Sr0.33MnO3薄膜由于厚度較小，受襯底的影響更深，在高頻下失去了金屬導(dǎo)電性，因而無法觀測到巨磁阻抗現(xiàn)象，僅僅因為直流磁電阻效應(yīng)的影響，觀測到了交流阻抗隨外加磁場的線性變化。而Si(100)襯底上制備的La0.75Sr0.25MnO3多晶薄膜，其顆粒邊界的存在導(dǎo)致樣品在極低頻下就表現(xiàn)出了一定的電容導(dǎo)電特性。然而由于薄膜厚度較厚，以及襯底影響較小，La0.75Sr0.25MnO3多晶薄膜上依然可以觀察到明顯的巨磁阻

16、抗現(xiàn)象，H=500 Oe外加磁場下，巨磁阻抗效應(yīng)值的大小為△Z/Z0=-8.1％。這一結(jié)果比起樣品的直流磁電阻效應(yīng)要靈敏的多，但是依然比塊狀樣品的巨磁阻抗效應(yīng)值要小。通過對兩個薄膜樣品的交流磁輸運(yùn)特性的研究對比，我們認(rèn)為，是否存在顆粒邊界并非在鈣鈦礦錳氧化物薄膜樣品上獲得巨磁阻抗效應(yīng)的決定性條件，薄膜厚度對巨磁阻抗效應(yīng)是否存在有著決定性的影響。為了實現(xiàn)鈣鈦礦錳氧化物巨磁阻抗效應(yīng)在小型化傳感器或者磁記錄設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用，微米級厚度的薄膜是比