自旋電子學是近些年來在半導體電子學和磁電子學基礎上發(fā)展起來的一門新興交叉學科。豐富的物理內涵、明確的應用目標以及廣闊的市場前景,自旋電子學已成為當今凝聚態(tài)物理和材料科學領域最為關注的方向之一。其中，巨磁電阻的發(fā)現(xiàn)及在自旋器件上的應用是最有重大影響力的成果。非易失性存儲器和高密度磁存儲器的誕生，不僅給基礎研究注入了活力，更為市場帶來了巨大的經(jīng)濟效益。巨磁電阻研究的關鍵在于如何獲得更為實用的低場室溫磁電阻效應。具有高自旋極化率的半金屬材料,如摻雜錳氧化物,CrO2,Fe3O4等成為研究者的首選。無論是提高半金屬材料的內稟磁電阻，還是外稟磁電阻，都有著極大的研究和應用潛力。研究表明,半金屬顆粒復合體中，顆粒邊界對低場磁電阻產生和增強有重要作用，調節(jié)顆粒邊界勢壘已成為顆粒體系中磁電阻增強的有效實驗途徑。此外，摻雜錳氧化物中,3d/4d/5d過渡族金屬氧化物材料日益受到人們的關注。在這類新型的磁電阻氧化物中,4d或5d金屬離子較3d金屬離子具有寬的d軌道和電子巡游特性,d電子與氧的2p電子存在較強的雜化作用。自旋,軌道和晶格間的相互耦合，引起材料中大的電、磁響應以及巨磁電阻等豐富物理現(xiàn)象，為磁電阻材料研究范圍的拓寬以及強關聯(lián)電子體系中物理性質的探討提供了新的實驗依據(jù)。另一方面，磁致冷技術的飛速發(fā)展使得凝聚態(tài)物理工作者越來越關注磁性材料的磁熱效應。傳統(tǒng)的氣體制冷存在眾多的缺點，相比之下,磁制冷具有熵密度高、體積小、噪音小、無污染、高效低耗等獨特優(yōu)勢。磁制冷研究的關鍵在于獲得室溫附近大的磁熱效應。傳統(tǒng)的金屬釓⑶）以及近年來報道的Gd5（G%SL）4和La(Fei3-xSix)等合金都是具有大磁熵變的磁性材料。然而，這些材料中稀有金屬的昂貴，化學性質的不穩(wěn)定，居里溫度單一，磁滯與熱滯現(xiàn)象嚴重等因素，使得磁制冷技術的應用步履維艱。值得注意的是，具有龐磁電阻的摻雜錳氧化物同樣表現(xiàn)出了大的磁熵變效應，這一發(fā)現(xiàn)大大拓寬了磁制冷工質的研究范疇。摻雜錳氧化物具有價廉、制備簡單、居里溫度在較大溫區(qū)范圍內可調等優(yōu)點,使得其在磁制冷研究中關注程度日趨增加。但這一材料也有其明顯不足之處，如磁性能受制備工藝和摻雜影響較大。因此，研究者仍在通過提高制備工藝等方法，努力探索具有實用價值的磁熵材料。綜合上述兩方面的研究背景，本文的研究主要分為二個部分。一，磁性氧化物磁輸運性質的研究，包括半金屬CrO2和Fe3O4顆粒邊界磁電阻效應的研究，以及3d/4d過渡族金屬氧化物Sr電磁性能，磁性相變和磁電阻的研究。二，研究了半金屬CrO2的磁熱效應，以及多晶SrRui-xMnxO3中磁熵變隨體系磁性相變的變化關系。主要研究內容包括:1.磁性氧化物磁輸運性質的研究(1)通過調節(jié)顆粒邊界勢壘狀態(tài)，獲得了室溫Fe3O4顆粒中增強的磁電阻和磁阻抗效應。系統(tǒng)研究了球磨Fe3O4粉末顆粒的電阻率、磁性能、磁電阻、磁阻抗與顆粒邊界勢壘的關系。磁電阻和磁阻抗效應在優(yōu)化的顆粒邊界勢壘樣品中出現(xiàn)極大值。室溫磁阻抗效應在5000Oe磁場下從-7.0%增加到了-12.3%,提高了近76%。采用阻抗譜分析方法，將顆粒體系中品粒、品界和顆粒邊界電阻加以分離,區(qū)分出品粒和顆粒邊界對磁輸運性質的貢獻。通過非線性I-V曲線計算得到各樣品中邊界勢壘高度和勢壘寬度，詳細討論了磁輸運與顆粒邊界勢壘狀態(tài)的關系。因此，這一增強的交流磁輸運特性為高頻自旋電子器件的開發(fā)提供實驗依據(jù)。（2）首次通過化學反應方法，改善半金屬CrO2顆粒表面天然的Cr2O3勢壘層，獲得了低場磁電阻的顯著增強。相成分和表面態(tài)的測試結果表明，強氧化劑KMnO4能有效地去除或調整半金屬CrO2顆粒表面絕緣的Cr2O3層,從而得到一系列具有不同表面態(tài)的CrO2顆粒，最大磁電阻達到MR=-33%，相比于未處理樣品提高了近22%。并對具有不同表面態(tài)CrO2顆粒的電、磁性能、磁電阻效應和顆粒間勢壘性質作了較為系統(tǒng)的分析和討論。探索了一條用化學反應法調整顆粒表面勢壘狀態(tài)而獲得低場磁電阻增強效應的有效實驗途徑。（3）首次在實驗上制備了具有正自旋極化率CrO2和負自旋極化率Fe3O4的二組元半金屬顆粒復合體，研究了具有特殊微觀結構半金屬顆粒復合體的磁輸運特性，并探討了體系逾滲閾值、磁電阻效應與微觀結構的關系。我們發(fā)現(xiàn)隨著CrO2組分的變化，復合體的電導發(fā)生逾滲現(xiàn)象，在逾滲閾值乳=0.15（CrO2組分濃度）處出現(xiàn)磁電阻的極小值。詳細研究了復合體逾滲閾值處電導和磁輸運機制，分析了由異號自旋極化率的CrO2和Fe3O4組成的顆粒復合體磁電阻效應的特征。（4）首次系統(tǒng)研究了3d/4d過渡族金屬氧化物SrRui-xMnxO3（0<x<1）磁性相變和磁輸運性質，發(fā)現(xiàn)了這一體系中低溫-41%的磁電阻效應和居里溫度附近-35%的磁電阻峰值，率先報道了多晶SrRu1-xMnxO3中磁相變圖。3d金屬離子Mn4+對4d鈣鈦礦氧化物SrRuO3的B位摻雜，驅使體系從金屬性巡游鐵磁體轉變?yōu)榻^緣性反鐵磁體。X-射線光電子能譜（XPS）測試表明，多晶樣品中Mn和Ru離子主要以Mn4+和Ru4+價態(tài)為主，但存在少量的Mn3+和Ru5+離子價態(tài)。詳細研究了體系中多種磁性相的共存和相互競爭，如Mn3+-Mn4+（Ru5+）鐵磁性相互作用,Mn-Ru鐵磁性超交換作用,Mn4+-Mn4+及Ru-Ru反鐵磁相互作用,以及由此導致的多晶SrRul-xMnxO3中復雜的磁性相變行為。系統(tǒng)分析了不同溫度下電、磁性質和磁場導致的磁性相變特征，對低溫和居里溫度處產生大的磁電阻效應物理機制作了深入探討。2.磁性氧化物中磁熱效應的研究（1）首次研究了半金屬CrO2顆粒中的磁熵變^SM和絕熱溫度變化△Tad,發(fā)現(xiàn)具有二級相變的CrO2材料表現(xiàn)出大的低場磁熱效應:在1.5T磁場下，磁熵變^Sm達到-5.1J/kg-K,絕熱溫度變化達到△Tad=2.0K。這一低場磁熵變在磁性氧化物中是比較可觀的。同時，還系統(tǒng)研究了不同顆粒尺寸CrO2的磁熱效應。運用分子場理論，朗道模型和德拜近似等方法，分析了具有二級相變CrO2材料中磁熵的來源，包括電子自旋，磁滯伸縮，電子熵變對整個磁熵變的貢獻。（2）首次研究了4d巡游金屬性鐵磁體SrRuOq3和多晶SrRu1-xMnxO3體系中磁熱效應與磁性相變的關系。結果表明,6.5T磁場下，巡游鐵磁體SrRuO3在居里溫度160K處存在^Sm=-2.5J/kg-K的磁熵變和△Tad=3.1K的絕熱溫度變化。相對制冷率達到RCP=70J/kg。由于相變溫度處SrRuO3晶格常數(shù)存在較大的變化，運用德拜近似計算，發(fā)現(xiàn)具有二級相變的SrRuO3材料品格熵變在整個熵變中的重要性。B位Mn離子的摻入，體系低溫下出現(xiàn)自旋玻璃/團簇玻璃的磁性態(tài)，高溫（-200K）出現(xiàn)反鐵磁/順磁的轉變。體系磁熵變強烈依賴于磁性相變，不同磁性相變溫度處表現(xiàn)出系統(tǒng)的變化。在鐵磁-順磁轉變溫度Tc處和自旋凍結溫度Tf處均出現(xiàn)了負磁熵變^Sm的峰值，而在反鐵磁相變溫度Tn附近，出現(xiàn)了正的磁熵變△Sp。詳細探討了體系中磁熵變的物理機制以及Mn的摻入導致磁熵變隨磁性能的變化【作者】張曉渝【導師】李振亞；陳亞杰；【作者基本信息】蘇州大學，凝聚態(tài)物理，2007，博士磁性氧化物磁輸運和磁熱效應的研究顆粒復合介質是指顆粒狀的一種或幾種材料無規(guī)分布在某種基質中而形成的新型復合材料。由不同組分的材料形成顆粒復合介質后，可具有與組分物性差異很大的性質，展現(xiàn)出豐富的物理現(xiàn)象。由于這種顆粒復合介質在實驗上比較容易制備，對實際的應用提供了廣闊的前景。理論上對這種顆粒復合介質的研究成為凝聚態(tài)物理理論研究的一個熱門課題，許多理論與實驗學者都對這些顆粒復合介質產生了濃厚的興趣。其中金屬磁性顆粒復合介質是指由超細的磁性顆粒無規(guī)分散在非磁性的金屬基質中形成的一種合金。該種顆粒復合介質是本文研究的重點對象，其中的磁性小顆粒的尺寸通常為幾個到一百個納米，它們無規(guī)地且與基質不相溶地分散在非磁金屬基質中。這種新型的金屬磁性顆粒復合介質具有與磁性多層膜相類似的巨磁電阻效應(GiantMagnetoresistanceEffect)以及其它重要的磁學性質。本文主要以發(fā)展新的理論計算方法及蒙特卡羅(MonteCarloSimulation)計算機模擬來研究這種顆粒復合介質中的磁學性質和巨磁電阻效應。當前，盡管人們已經(jīng)開始利用金屬磁性顆粒復合介質或磁性多層膜中出現(xiàn)的巨磁電阻效應制作一些應用的器件，但是理論上在微觀尺度范圍內對巨磁電阻效應的理解還有不清楚和不夠深入的地方。本文將著重研究金屬磁性顆粒復合介質的磁學行為和巨磁電阻效應在外磁場作用下與磁性顆粒的尺寸、空間分布、濃度等的關系。本文首先對這種顆粒復合介質中出現(xiàn)的各種磁化現(xiàn)象進行了討論，并證實了體系中出現(xiàn)的磁滯現(xiàn)象和一些不可逆的磁化過程是由于在一定溫度下被阻塞磁性顆粒磁矩的不可逆翻轉造成的。我們在區(qū)分了超順磁顆粒和被阻塞的鐵磁性顆粒對電子傳導過程引起的不同效應后，發(fā)展了組合雙通道模型與有效介質理論的方法，對電子在磁性顆粒間的自旋相關散射的微觀過程作了統(tǒng)計物理的計算，得到了體系的巨磁電阻隨外加磁場、顆粒濃度、溫度等變化的關系。我們在考慮了傳導電子在不同磁性顆粒間散射時可能存在的微觀過程，提出了一個宏觀的統(tǒng)計唯象理論，解釋了一些實驗中磁電阻隨溫度的變化關系。在推廣的Gittleman理論基礎上，我們運用蒙特卡羅方法模擬了金屬磁性顆粒復合介質中的巨磁電阻效應，發(fā)現(xiàn)在考慮磁性顆粒的尺寸分布以及它們之間的相互作用后，能夠較胭解釋實驗中出現(xiàn)的一些巨戳電阻現(xiàn)象。我們比較了系統(tǒng)在脯不同哈密頓量時的磁電阻變化關系，并在考慮了磁性顆粒間的相互作用后，比較了體系在不同維度和不同顆粒尺寸分布條件下的磁電阻效應。我們發(fā)現(xiàn)寬化的顆粒尺寸分布是引起磁電阻偏離磁化強度二次方關系的一0個重要因素。在梗擬戳性顆粒濃蠢電阻的影響時，我們將傳導電子的微觀0散射過程具體化，提出了將無規(guī)電阻網(wǎng)絡與蒙特卡羅模擬相結合的施，由此得出了磁電阻隨濃度的增加而出現(xiàn)了峰值，其峰顧應的濃度與實驗上觀測到的濃度范圍相符，并比較了體系磁電阻隨濃度的變化在二維及三維情形下的不同。對于朋磁性顆粒復合體系的巨磁電阻效應，人們通常認為當外加磁場為零時，這些細小磁顆粒的磁矩無規(guī)分布在介質中，對于自旋方向向上及自旋方向向下的傳導電子在介質中傳導時，將受到雜亂無章取向的顆粒磁矩的散射，因而具攤高的電阻。當外加一強磁場后，這娜粒磁矩將沿外加磁場的取向而排列。這些有序化的磁矩排列對某一種自旋取向的傳導電子將引起一種短路效應，從而使整體的電阻下降，產生了所謂的巨磁電腴應。這種基于與電子自旋相關散射的模型通常也稱為雙通道模型口w。ChanndModel八我們認為電子自旋相關的散射主要是發(fā)生在磁性顆粒與非磁性基質間的界面層處，原因是這些磁性顆粒形成了很強的局域磁場，從而對于不同自旋取向的傳導電子將產生不同程度的散射勢能，由此導致了不同的電阻通道。所以金屬磁性顆粒復合介質中的巨磁電阻現(xiàn)象與磁娜粒磁矩的取向密切相關，因此研究這些無規(guī)分布磁性顆粒的磁學性質是重要的。在研究巨磁電阻與外加磁場大小的變化關系中，我們首先將金屬磁性顆粒復合介質中的超細磁性顆粒按照其在給定溫度下所展示出的不同物理性質而分為