磁性材料

．Fe3O4的晶体结构

根据已有的研究结果，Fe3O4晶体是立方的反尖晶石结构（空间群Fd3m，晶格常数a＝8.396 ?），一个完整的Fe3O4晶胞由8个小立方体构成，如图3所示[9] ：

图3 Fe3O4的晶体结构

其中O2-位于体对角线中点和顶点的中心，构成立方密堆积结构，其中1/2的Fe3+填充正四面体空隙（A位置），Fe2+和另外1/2的Fe3+填充正八面体空隙（B位置）。

室温下，Fe3O4是一种不良的导体，电导率为2×104Ω-1m-1,比最小的金属电导率还小一个量级。其导电机制主要是B位Fe2+和Fe3+之间的电子跳跃传导[10]。Fe3O4在120K附近会发生B位Fe2+和Fe3+电荷无序到有序的转变（V erwey转变），导致B位Fe2+和Fe3+之间的电子跳跃被冻结，使电阻率提高2个数量级[11]。

Fe3O4具有亚铁磁性，A位的Fe3+磁矩和B位的Fe3+磁矩取向相反，相互抵消，只剩下B 位的Fe2+的磁矩，所以Fe3O4每个晶胞的磁矩为4.08μB。其居里温度为858K[11]。

2. Fe3O4薄膜

由于Fe3O4在磁学和自旋电子学等方面的应用，科学家们对于制备Fe3O4 薄膜产生了浓厚的兴趣，大量的研究工作随之展开。利用溅射、脉冲激光沉积法（PLD）和分子束外延（MBE）等方法，在Si、α-Al2O3、MgO、SrTiO3等衬底上都制备出不同厚度的多晶或单晶薄膜。对各种方法生长出的Fe3O4薄膜的测试表明，Fe3O4薄膜和单晶块材的物理性质有很大差别[10]。在测量MgO衬底上生长的超薄的Fe3O4外延薄膜时，发现薄膜在磁场中难以饱和磁化，呈现出超顺磁性，有人认为这与薄膜中存在的反相边界有关，并且这种反相边界的存在对Fe3O4薄膜的磁电阻也有影响[12]。

另外有文献报告在120K附近和2T的外磁场下，Fe3O4薄膜的磁电阻可达－12.3%[13]。新奥尔良大学的王文东等人在室温和14T的外磁场下测试PS包覆的Fe3O4颗粒，发现其磁电阻可达－22.8%，并得室温下Fe3O4的54% [14] ，这是目到前为止发现的Fe3O4材料的最大的磁电阻。

最近，本实验室利用激光分子束外延（LMBE）制备出Fe3O4-SiO2-Si的薄膜结构，发现这种结构能够放大Fe3O4薄膜本身的磁电阻[15]，我们对此结构进一步研究，希望通过PS包覆提高其磁电阻。

类别：Physics | 评论(0) | 浏览(161) report2008-04-10 13:331. 磁电阻效应

磁电阻效应（magnetoresistance effect）是指由于外加磁场而导致材料电阻的变化[1]。其定量表示为磁电阻率（MR），通常定义：

式中，ρ(H),和ρ(0)分别为有磁场和无磁场情况下材料的电阻率。

人们早已发现，几乎所有的金属、合金及半导体中都或大或小地存在磁电阻效应，只是通常的磁电阻很小，仅有百分之几的量级，并取决于外磁场和外电场的相对取向,然而只有大的磁电阻效应才能在实际生活中得到应用。

2. 巨磁电阻效应

1986年，德国Julich研究中心的P.Grunberg等人发现Fe/Cr/Fe多层膜系通过中间的非磁性层的媒介，在相邻两个铁磁层之间发生了交换耦合作用[2]。两年后，法国南巴黎大学A.Fert 教授领导的研究小组在[Fe(3nm)/Cr(0.9nm)]n超晶格体系的电阻测量中发现，在温度和磁场强度分别为4.2K和2T时，电阻下降了一半，即使在室温下也下降了17%[3]，这是一种巨大的磁电阻增强效应，被定义为巨磁电阻效应。A.Fert教授和P.Grunberg教授因分别独立发现巨磁阻效应而共同获得2007年诺贝尔物理学奖。

早在1975年，Julliere就研究了磁隧道结（MTJ）自旋隧穿过程，指出其中的磁电阻效应来自两个铁磁层中自旋向上电子（多数）和自旋向下电子（少数）态密度的不对称性[4]。2005年，David等人以MgO为势垒制备的CoFeB/MgO/CoFeB隧道结室温时TMR达230%[5]。2006年，Freescale公司推出了基于隧道结的磁随机存储器（MRAM），MRAM 拥有SRAM 的高速读取写入能力，以及DRAM的高集成度。

巨磁阻效应被用于开发研制硬磁盘中的体积小而灵敏的数据读出头，使得存储单字节数据所需的磁性材料尺寸大为减少，A.Fert教授和P.Grunberg教授所发现的巨磁阻效应造就了计算机硬盘存储密度提高50倍的奇迹。

3．微观机制

大部分磁性材料磁电阻效应的产生是由于电子输运过程中的与自旋相关的极化和散射引起的。普通金属中电子的自旋是简并的,费米面附近电子的态密度对于自旋向上和向下是完全一样的，因而输运过程中电子流是自旋非极化的，但在铁磁金属中则不同。铁磁金属中的费米能级穿过s能带和d能带，其中s能带是宽能带，费米面处的能态密度小，d能带是窄能带，费米面处的能态密度大，即通常铁磁金属中包含的s电子的数目远低于d电子数，因此输运过程中电子流是自旋极化的。如图1所示：

图1 半金属中电子态密度的示意图

铁磁金属或合金的输运过程可以用两自旋电流模型[6]来描述，即认为电子流输运有两个并联的通道，自旋向上的自旋向下的电子分别在各自的通道中流动，如下图2：

图2 两自旋电流模型

这样，总电子流等于自旋向上和自旋向下的电子流之和，总电阻等于自旋向上和自旋向下通道的并联电阻。低温下，每一自旋通道的电阻主要来源于杂质散射和界面散射。

对于半金属铁磁体，只有惟一的自旋向下或自旋向上的电子在输运通道中传输，我们定义自旋极化率：

式中N↑和N↓分别为费米面附近自旋方向平行（多数自旋）和反平行（少数自旋）于磁化方向的电子的态密度，可知半金属铁磁体有100%的自旋极化率。理论和实践均表明，自旋极化率越高的材料越可能产生巨大的磁电阻效应，因而高自旋极化率材料的磁电阻效应成了人们研究的热点。

4．Fe3O4的磁电阻特性

Fe3O4由于其理论预言的接近100%的电子自旋极化率（半金属性），高的居里温度（Tc=858K），较高的饱和磁化强度，低的室温电阻率，在磁电阻效应上有很大的应用前景[7]。但有一个很大的问题就是Fe3O4表面容易被氧化而导致其表面失去化学计量比[8]。研究认为这些氧化后富含的Fe3+会使Fe3O4的表面失去半金属性，使人们不能观测到Fe3O4高的磁电阻效应和自旋极化率，从而严重制约了Fe3O4在磁输运方面的应用。为了观测到Fe3O4真实的自旋极化率并获得高的磁电阻效应，必须保持Fe3O4的表面状态，阻止表面富余Fe3+氧化物的生成。

Fe3O4与有机物有非常好的亲和性，因此国内外很多研究人员利用有机包覆Fe3O4的方法来获取其更好的性能。并且我们相信与含氧的有机塑料相比，不含氧的塑料能够更好地保持Fe3O4的表面状态。故我们计划利用PS包覆Fe3O4薄膜，以阻止其表面氧化。进而研究PS包覆对Fe3O4薄膜磁电阻效应的影响，提高Fe3O4薄膜磁电阻效应。

类别：Physics | 评论(0) | 浏览(117) 最近没有常来2008-03-07 09:42……

类别：默认分类| 评论(0) | 浏览(44) 固体结构与物性关系2008-01-13 13:54一电子填充规则：１．泡利不相容原理（每个原子轨道中最多容纳两个自旋方式相反的电子

）；２．能量最低原理（电子在核外排列应尽先分布在低能级轨道上, 使整个原子系统能量最低）；３．洪物规则（在n 和l 相同的轨道上分布的电子,将尽可能分占m 值不同的轨道, 且自旋平行）；４．半满全满规则（当轨道处于全满、半满时，原子较稳定）

Cr(24) Cu(29)

二

性质