Co/ZnO薄膜的磁性和磁电阻效应研究

摘要

对于颗粒膜的研究是近年来人们关注的热点之一，是由于其在信息技术的发展中起着举足轻重的作用。人们对于颗粒膜中非磁性材料的选择，主要是非磁性的金属基体或是非磁性的绝缘体。对于铁磁性金属和半导体材料组成的颗粒膜体系研究的不少，同时对其输运机制仍存在争议。因此，本文选用半导体ZnO作为非磁性基底，利用JGP560CC型三室超高真空多功能溅射仪在玻璃基片上制备了不同ZnO厚度和不同压强下的Co/ZnO颗粒膜，利用X射线衍射仪和透射电镜对样品的结构进行表征；利用振动样品磁强计和超导量子干涉仪对薄膜的磁学性质进行测量；利用标准四探针法对薄膜的电学性质进行测量。
　　 首先，我们在不同溅射压强下制备了相同标定厚度的Co/ZnO薄膜，发现所有薄膜具有相似的结构，形成了磁性纳米颗粒包裹在半导体基质中的颗粒膜结构。随着溅射气压的增加，薄膜的磁性由铁磁性转变为超顺磁性。薄膜磁性的这种很大差异，与薄膜中载流子浓度有关，载流子浓度越大，磁性颗粒间的耦合作用越强，越容易表现出铁磁特性。薄膜的电阻对数lnR与T-1/2基本为线性关系，表明薄膜的磁电阻主要来自于电子的自旋相关隧穿。
　　 其次，在此研究基础上，我们在0.8Pa的溅射压强下通过固定Co层的厚度，改变ZnO的厚度制备了一系列Co/ZnO颗粒膜。通过XRD分析得到，随着ZnO厚度的增加，薄膜由非晶态转变为晶态结构；从TEM图片可以看出，薄膜形成的是典型的颗粒膜结构。所有薄膜在室温下都表现为超顺磁性，随着ZnO厚度的增加，Ms由249emu/cm3减小到13emu/cm3，说明薄膜中的金属颗粒在不断减小。随着非磁性层ZnO厚度的增加，薄膜的磁电阻值基本呈现减小的趋势，主要是由于Co颗粒间距的增加影响了电子的自旋相关隧穿，且颗粒尺寸的减小，使得薄膜磁电阻不易达到饱和状态。从电阻值与磁电阻的关系看出，其有一定的规律性，且磁电阻似乎存在一极值约为-11％。
　　 再次，我们首次研究了薄膜的周期数对相同标定厚度Co/ZnO薄膜磁性和磁电阻效应的影响。结果发现，薄膜均表现为超顺磁性，随着溅射周期数的增加其磁电阻值发生变化，这主要是由于薄膜中的颗粒隧穿不仅发生在层内，在层间也存在，磁电阻值为两者竞争的结果。
　　 总之，在磁性金属-半导体颗粒膜系统中，只有当薄膜中磁性金属颗粒尺寸和颗粒间距达到一个比较恰当的值，才能获得较大的磁电阻效应。