稀土锰氧化物信息存储材料

稀土掺杂钙钛矿锰氧化物材料在信息存储方面的应用
摘要：综述了钙钛型矿锰氧化物的空间结构和电磁性能以及庞磁电阻效应。

全文分三部分，首先对信息存储材料的应用和研究进展进行了阐述；然后重点对稀土掺杂锰氧化物作为一种高性能电磁存储材料的结构和电磁性能进行分析，描述巨磁电阻效应和低场磁电阻效应；最后，指出了该材料的优缺点。

关键词：钙钛矿型锰氧化物，信息存储，庞磁电阻效应
1.引言
信息存储材料是指用于各种存储器的一些能够用来记录和储存信息的材料。

这类材料在一定的强队的外场（如光、电、词或热等）作用下发生从某一种状态到另一种状态的突变，并能将变化后的状态保持较长的时间。

在当前的计算机系统中，信息的长期储存主要是通过磁记录和光记录技术实现的。

磁记录技术虽已有40多年之久，但仍然是当今信息存储的主要方式，而硬盘驱动器则是计算机系统中最流行的信息存储设备。

对读出磁头的革新是实现硬盘驱动器高密度、大容量和小型化这一趋势的关键。

在过去的10多年，庞磁电阻(CMR)材料因其有趣的基本结构、电磁特性以及潜在的在磁存储、磁传感和磁制冷等方面有着诱人的应用前景，受到了很多关注。

其中，具有庞磁电阻效应的稀土掺杂锰氧化物成为了凝聚态物理研究的重要领域。

锰氧化物的载流子自旋极化率高,且在居里温度附近表现出很大的磁电阻效应,
因此在信息存储中有潜在的应用前景。

2.钙钛矿锰氧化物结构
钙钛矿锰氧化物具有钙钛矿型ABO
3结构。

理想的ABO
3
(A=RE和碱土金属，B=Mn)
钙钛矿具有空间群为Pm3m的立方结构，如以A原子为立方晶胞的顶点，则氧和
锰原子分别处在面心和体心位置，见图1所示。

还可看到B原子处于O原子形成的八面体中。

实际的ABO
3。

晶体都畸变成正交(orthorhombic)对称性或菱面体(rhombohedra1)对称性。

发生畸变的原因主要是锰原子中的电子使氧形成的八面体发生畸变，通称为Jahn—Teller不稳定性畸变。

它使态的简并解除。

另一种可能性是由于A原子比B原子大，使A—O层与B0 层原子直径之和有较大差别引起相邻层不匹配所致。

未掺杂的稀土锰氧化物多具有正交对称性，图2示
出了LaMnO
3
的晶格结构。

由于畸变使Mn-O间距由立方结构的0．197变成0.191，
0.1 96和0.218nm。

ABO
3
正交对称可具有两种类型，一种称O．orthorhombie(a
＜c／√2，b)；另一种称为Dr-orthorhomblc(c／√2＜a，b)。

LaMnO
3
属于后一
种对称性。

掺杂的稀土锰氧化物La
1-x T
x
MnO
3
，由于出现Mn4+离子，其结构可能
随掺杂量x的增加而从低对称性向高对称性转变。

例如T=Ca，Sr和Ba 时．Mn4+随掺杂量增加而增加。

图1：钙钛矿结构图2：LaMnO3的0 一orthorhombic结构3.稀土掺杂锰氧化物电磁性能
钙钛矿锰氧化物的电磁性能体现在其庞磁电阻效应上。

磁电阻效应是指
体系的电阻(率)因外加磁场而出现变化．一般定义MR= [ρ(0)-ρ(H)]/ ρ(O)，ρ为样品的电阻率，H为外加磁场强度，正磁电阻时MR为负，而负磁电阻时MR 为正。

而庞磁电阻效应（colossal magnetoresistance，CMR），是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。

庞磁阻是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构。

这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。

当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。

当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。

锰氧化物要表现出CMR需两个外部条件，一是温度处于其居里点Tc 附近，二是需要几特斯拉的较大外磁场，所以目前CMR更多是学术上的美丽，未能获得实际应用的青睐，因而探索CMR氧化物在室温低磁场下的低场磁电阻增强就变成我们工作的目标。

研究发现，在较低温度 T(<<Tc )下，锰氧化物单晶和外延生长的薄膜在H 较低时基本上没有磁电阻效应，但稀土掺杂锰氧化物多晶陶瓷或薄膜却能有显著的磁电阻(在几百高斯磁场下，MR～20％)，被称为低场磁电阻效应。

CMR锰氧化物可以表示为Re1-xA xMnO3(Re为稀土元素La、Pr或Nd等，A 为二价碱土离子Ca、Sr或Ba)。

对LFMR效应的研究发现：①LFMR只发生在锰氧化物多晶样品中；②在T<< Tc时，锰氧化物多晶样品仍然存在可观的MR；③LFMR随温度升高而迅速减小。

大量实验结果表明，多晶样品中LFMR效应来源于晶界处传导电子的自旋极化隧穿和散射。

Gupta等[9]对此的物理解释是：由于存在晶粒边界，多晶的电阻率比单晶高；而磁阻产生源于两种机制，即附近MR 极大值来源于晶粒中本征的CMR机制，而低温下的MR来源于晶粒边界处自旋极化散射(Spin polar—ized scattering，SPS)。

SPS的基本物理图像是晶粒边界处磁无序使之成为强散射中心，导致较大电阻率；而外加磁场使得晶粒内磁畴平行排列，强烈地减弱了晶粒边界处载流子散射，导致了低场磁电阻效应。

Hwang 等[8]提供了另一种物理解释，即晶粒间自旋极化隧穿(Spin polarized
intergrain tunneling，SPT)。

多晶中磁畴基本上与晶粒重合，无外加磁场时，相邻晶粒边界间自旋不平行，晶粒边界间的电子隧穿几率较小，故呈现高阻态；加上外加磁场后，与晶粒相联系的磁畴平行排列，电子隧穿几率增加，从而呈现低阻态。

4.存在的问题与展望
用锰氧化物材料做成的磁头，其存储的信息密度可达现在存储密度的20倍，为1500 Mb／cm2，即每cm2可存储15亿个数据点，完全可与光记录相媲美。

但稀土锰氧化物的发展和推广受到以下因素的限制。

(1)锰氧化物仅在较低的温度下才能保持较高的自旋极化率,随着温度的上升自旋极化率迅速下降,必须提高高温甚至是室温下系统的自旋极化率。

(2)多晶系统的低场磁电阻效应仅在较低温度下才较为显著，室温附近这一效应较弱。

虽然通过一些方法可以使得低场磁电阻获得增强，但离实际应用要求尚有差距。

仍然需要在寻找新的合成制备方法和新的氧化物体系方面付诸更多努力。

(3)锰氧化物多层膜的制备技术以及与硅集成问题。

由于锰氧化物物理性质对结构的高度敏感性,稳定可控的薄膜制备工艺是深入研究锰氧化物各种性质以及自旋隧道结中自旋输运的前提,与硅技术的兼容性是自旋电子学锰氧化物器件应用的基本工艺问题。

(4)锰氧化物自旋隧穿的物理机制问题。

对这一问题最新的研究工作揭示了半金属锰氧化物系统的复杂性和层间界面性质的关键作用。

没有对这一问题的深刻认识，锰氧化物磁隧道结的制备与控制就没有扎实的物理基础。

在这方面，表面科学技术应该发挥更大的作用。

(5)新的锰氧化物材料探：泰。

已经发现钙钛矿双层锰氧化物展现了较ABO3结构更优越的磁电阻性质，特别是层状结构和高的居里点。

Sr2FeMoO6氧化物也具有较为优越的磁电阻特性。

但是，由于这类材料制备方面的困难，目前进展不大，需要付诸更多的努力。

5.结语
总之,从锰氧化物被重新发现以来,对这种强关联电子体系的研究取得了巨大进步,但也还存在大量的问题和挑战。

对锰氧化物的研究一方面对强关联电子体系物理乃至整个凝聚态物理学都有重要的意义,对目前人们尚未解决的一些物理问题如高温超导铜氧化物有较大的借鉴作用,必将推动这些方面认识的进步;另一方面锰氧化物在自旋电子学中也有巨大的应用前景,对锰氧化物的研究也必将进一步推动实用化的锰氧化物自旋电子器件的发展。

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