磁性纳米颗粒薄膜的微观结构、磁性质和输运特性

摘要

铁磁性金属纳米颗粒薄膜系统中存在的巨磁电阻效应、巨霍尔效应、高矫顽力效应等新特性,使其在磁性传感器件、高密度记录介质、读出磁头和磁性随机存取存储器等研究领域具有广阔的应用前景.目前,具有面心四方结构的L1<,0>-FePt材料、半金属材料和铁磁性金属-半导体复合材料是凝聚态物理和材料科学领域的研究热点. 本论文用磁控溅射法制备了软铁磁性金属-碳基(Fe-C,Co-C,FeN-CN)、硬铁磁性金属-碳基(FePt-C,FePtCu-C,FePtN-CN)、半金属一半导体基(Fe<,3>O<,4>-Ge)和铁磁性金属一半导体基(Fe-Ge)系列纳米颗粒薄膜,对它们的化学成份、微观结构、磁性质和输运特性进行了系统研究. 通过对软铁磁性金属-碳基(Co,Fe,FeN)-C(N)颗粒薄膜的研究,发现在颗粒薄膜中,颗粒与母体间的相分离、颗粒尺寸和颗粒间的相互作用决定样品的磁性质和磁化机制.当相分离较好、颗粒间相互作用较小时,样品的矫顽力较大,并且磁化机制为单畴磁矩转动.反之,样品矫顽力较小,磁化机制为畴壁位移.用磁力显微镜直接观察到了Fe-C系统中的磁逾渗现象,为阐明颗粒间磁相互作用的变化提供了直接证据.在电子束辐照的Co-C颗粒薄膜中,观察到了Co颗粒对非晶C转变为石墨化的碳纳米结构(纳米线和纳米针)的催化作用. 通过对硬铁磁性金属-碳基(FePt-C,FePtCu-C,FePtN-CN)颗粒薄膜的研究,发现适量的Cu掺杂可以促进L1<,0>-FePt合金的形成,而过量的Cu显著抑制L1<,0>-FePt相的形成.特别地,我们还发现N掺杂样品在退火过程中N的溢出和Fe-N键的断裂,可以促进L1<,0>相的形成,提高FePt合金的有序度；同时,高氮气分压可以有效控制FePt颗粒尺寸,有利于FePt颗粒薄膜在高密度磁记录介质方面的应用. 通过对多晶Fe<,3>O<,4>薄膜、(Fe,Fe<,3>O<,4>)-Ge颗粒薄膜的研究,发现多晶Fe<,3>O<,4>薄膜的导电机制为隧穿导电.Fe<,3>O<,4>晶粒表面(界面)磁矩的取向对磁化强度贡献很小,但在高场下,晶粒表面(界面)磁矩的排列会导致磁电阻发生很大的变化,这就是Fe<,3>O<,4>薄膜材料中磁电阻随外加磁场呈现弱饱和现象的物理机制.在Fe<,x>Ge<,1-x>颗粒薄膜中发现当x=0.5时,霍尔电阻率P<,xy>最大(126μQ cm),为纯Fe膜的139倍；在±10 kOe的磁场范围内,P<,xy>随磁场呈线性变化关系,并且在2-300K温度范围内,直线斜率保持不变.这一特点使Fe-Ge颗粒薄膜在微电子学器件中的实际应用具有了可能性.

目录

文摘

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第一章综述

1.1铁磁性金属颗粒薄膜的研究现状

1.1.1铁磁性金属-碳基颗粒薄膜

1.1.2铁磁性金属-非磁性金属基颗粒薄膜

1.1.3铁磁性金属-绝缘体基颗粒薄膜

1.1.4铁磁性半金属(颗粒)薄膜

1.2 理论背景

1.2.1颗粒薄膜中的超顺磁性理论

1.2.2单畴颗粒系统中的Stoner-Wohlfarth模型

1.2.3磁性金属、半金属颗粒薄膜中的TMR理论

1.3本论文的工作

第二章样品制备、结构表征与物性测量

2.1铁磁性金属-碳基颗粒薄膜的制备

2.1.1对向靶直流磁控溅射原理

2.1.2薄膜的沉积

2.1.3样品的退火处理

2.2(Fe，Fe3O4)-Ge颗粒薄膜的制备

2.3结构表征、磁性和输运特性测量

2.3.1表面形貌和薄膜厚度测量

2.3.2成份分析

2.3.3结构表征

2.3.4低温技术和输运特性测量

2.3.5磁性测量

第三章(Fe，Co，FeN)-C(N)颗粒薄膜的微观结构和磁性质

3.1 Fe-C颗粒薄膜微观结构和磁性质

3.1.1 Fe-C颗粒薄膜的形貌和微观结构

3.1.2 Fe-C颗粒薄膜的磁性质

3.2 Co-C颗粒薄膜的形貌、微观结构和磁性质

3.2.1 Co-C颗粒薄膜的表面形貌和微观结构

3.2.2 Co-C颗粒薄膜的磁性质

3.3 FeN-CN颗粒薄膜的微观结构和磁性质

3.3.1 FeN-CN颗粒薄膜的微观结构

3.3.2 FeN-CN颗粒薄膜的磁性质

3.4本章小结

第四章FePt(Cu，N)-C(N)颗粒薄膜的微观结构和磁性质

4.1 FePt薄膜的成份、微观结构和磁性质

4.1.1 FePt薄膜的成份和微观结构

4.1.2 FePt薄膜的磁性质

4.2 FePt-C颗粒薄膜的微观结构和磁性质

4.2.1 FePt-C颗粒薄膜的微观结构

4.2.2 FePt-C颗粒薄膜的磁性质

4.3 FePtCu-C颗粒薄膜的微观结构和磁性质

4.3.1 FePtCu-C颗粒薄膜的微观结构

4.3.2 FePtCu-C颗粒薄膜的磁性质

4.4 FePtN-CN颗粒薄膜的微观结构和磁性质

4.4.1 FePtN-CN颗粒薄膜的微观结构

4.4.2 FePtN-CN颗粒薄膜的磁性质

4.5本章小结

第五章Fe3O4和Fe3O4-Ge、Fe-Ge颗粒薄膜的微观结构、磁性质和输运特性

5.1多晶 Fe3O4薄膜的微观结构、磁性质和输运特性

5.1.1 多晶 Fe3O4薄膜的成份和微观结构

5.1.2 多晶Fe3O4薄膜的磁性质

5.1.3 多晶Fe3O4薄膜的输运特性

5.1.4过氧化和欠氧化对多晶Fe3O4薄膜的输运特性的影响

5.2 多晶Fe3O4粉末的微观结构和磁性质

5.2.1 多晶Fe3O4粉末的微观结构

5.2.2 多晶Fe3O4粉末的磁性质

5.3 Fe3O4-Ge颗粒薄膜的微观结构、磁性质和输运特性

5.3.1 Fe3O4-Ge颗粒薄膜的成份和微观结构

5.3.2 Fe3O4-Ge颗粒薄膜的磁性质

5.3.3 Fe3O4-Ge颗粒薄膜的输运特性

5.4 Fe-Ge颗粒薄膜的微观结构、磁性质和输运特性

5.4.1 Fe-Ge颗粒薄膜的微观结构

5.4.2 Fe-Ge颗粒薄膜的磁性质

5.4.3 Fe-Ge颗粒薄膜的输运特性

5.5本章小结

第六章结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢