鐵及鐵合金的反?；魻栃?yīng)和磁性研究.pdf

1、人們對(duì)磁的研究在過去二十年時(shí)間里有了全新的發(fā)展。磁性研究不再限于宏觀的、靜態(tài)的物質(zhì)磁性，而是拓展到研究單電子的、輸運(yùn)狀態(tài)下的自旋變化。這一領(lǐng)域的主要推動(dòng)力來自于人們希望能利用電子的自旋自由度來承載信息和進(jìn)行計(jì)算。實(shí)驗(yàn)上，人們發(fā)現(xiàn)了隧道磁阻(TMR)和龐磁阻效應(yīng)(CMR)，自旋霍爾效應(yīng)，自旋扭矩，反?；魻栃?yīng)，自旋量子霍爾效應(yīng)等一系新的現(xiàn)象，并由此拓展為一個(gè)包含多種器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、多種機(jī)理的研究和多種材料的制備的龐大領(lǐng)域-自旋電子學(xué)。

2、r>　　在自旋電子學(xué)的陣容里，反?；魻栃?yīng)(anomalous Hall effect，AHE)無疑是一朵奇葩。因?yàn)檫@一現(xiàn)象1889年就已經(jīng)被霍爾本人發(fā)現(xiàn)。但是關(guān)于其機(jī)理是來自于非本征機(jī)制還是本征機(jī)制的爭論一直延續(xù)到了今天?，F(xiàn)存的幾種機(jī)理包括1954年Kaplus和Luttinger提出的能帶結(jié)構(gòu)和自旋軌道耦合決定的本征機(jī)制、1955年Smit提出的由散射和自旋軌道耦合導(dǎo)致的斜散射機(jī)制(skew scattering)以及1971年Be

3、rger提出的side jump非本征機(jī)制。其復(fù)雜的理論模型和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象使得簡單的實(shí)驗(yàn)不能結(jié)束這一爭論。今天，人們發(fā)現(xiàn)AHE的機(jī)理同樣適用于自旋霍爾效應(yīng)。這使得對(duì)其機(jī)理來自于本征還是非本征、其隨溫度和尺度的變化如何的討論尤為重要。在本文中，作者對(duì)AHE的經(jīng)典體系-Fe單晶進(jìn)行了研究。在GaAs(001)和MgO(001)兩種襯底上外延生長了Fe單晶，利用改變厚度的辦法來調(diào)節(jié)非本征散射的大小。值得說明的是，這一方法在改變非本征散射的同時(shí)在一

4、定范圍內(nèi)能保持本征機(jī)制不變。這就克服了傳統(tǒng)的通過摻雜改變非本征散射的做法在改變非本征散射強(qiáng)度的同時(shí)也改變了本征機(jī)制的缺陷。正是這一特點(diǎn)使得我們得到了許多新的結(jié)果，包括：
　　1.證明了長期以來大家認(rèn)為的反常霍爾電阻率與非本征散射強(qiáng)度(縱向電阻率)之間函數(shù)關(guān)系式不能描述鐵在有限溫度下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。進(jìn)而根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確立了新的函數(shù)關(guān)系。新的函數(shù)關(guān)系式能夠統(tǒng)一描述以往在不同體系、不同溫度出現(xiàn)的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，函數(shù)中的各項(xiàng)分別與skew sca

5、ttering、sidejump和本征機(jī)制聯(lián)系起來。更為重要的是，它對(duì)以前理論上理解不夠清楚的有限溫度情況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果做了總結(jié)，這必將促進(jìn)理論的進(jìn)一步完善。
　　2.通過對(duì)樣品的不同設(shè)計(jì)，顯示了對(duì)界面的調(diào)節(jié)、襯底的變化和摻雜的不同對(duì)本征和非本征機(jī)制的影響。證明了之前確立的函數(shù)關(guān)系式適用于Fe基合金。對(duì)低溫下反?；魻栯妼?dǎo)率略微偏離函數(shù)關(guān)系式的現(xiàn)象進(jìn)行了研究討論。這種偏離可能表示了Fe-磁性金屬合金中含有未被考慮的反?；魻栃?yīng)。

6、　　3.基于前面的進(jìn)展，研究了反?；魻栃?yīng)在低維情況的變化，觀察到了本征效應(yīng)隨厚度降低而降低，非本征效應(yīng)幾乎保持不變的現(xiàn)象。對(duì)可能的原因進(jìn)行了討論。這部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果為第一性原理計(jì)算提供了參照對(duì)象。除此之外，還觀察到了鐵磁材料在超薄時(shí)的局域化現(xiàn)象。結(jié)合之前的研究工作，確定在GaAs襯底上的Fe薄膜非本征散射機(jī)制中包含很強(qiáng)的side jump機(jī)制，這支持在厚膜中得出的函數(shù)關(guān)系中有一項(xiàng)是side jump機(jī)制的推論。MgO襯底上的Fe薄膜sid