庞磁电阻与材料的研究与发展.doc

庞磁电阻材料的研究与发展 冯佳敏 （B09 物理 090603121） 摘要：　过去十多年来,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,因此在自旋电子学中有潜在的应用前景。另一方面,锰氧化物是典型的强关联电子体系,它对目前有关强关联体系的认识提出了很大挑战。本文综述了庞磁电阻效应、庞磁电阻特点、锰氧化物的结构材料及其庞磁电阻效应、其他庞磁电阻材料和我国近期有关庞磁电阻材料材料的项目研究。 关键词: 庞磁电阻效应; 稀土掺杂锰氧化物；庞磁电阻材料 近年来，物理学尤其是凝聚态物理学研究常常会对应用物理和高科技产业产生重要影响。正如半导体锗中晶体管效应在1947年由 Bell实验室发现后迅速发展成固态电子产 业一样，巨磁电 阻效应(GMR)和隧道磁电阻 效应(TMR)的发现也迅速发展成为自旋电子 学和自旋电子产业。20世纪自旋电子学的高速发展以及对强关联电子材料的进一步研究使得具有庞磁电阻效应的稀土掺杂锰氧化物成为凝聚态物理和功能材料研究的重要领域。锰氧化物的载流子自旋极化率高,在居里温度附近有很大的磁电阻效应,因此在自旋电子学中有潜在应用前景。锰氧化物是典型的强关联电子材料,它对目前有关强关联体系的认识提出了很大挑战。 一．庞磁电阻效应： 亚锰酸盐的庞磁电阻是磁物控制磁化电子输运过程产生的现象，这仅仅是很粗浅的了解，并未深入到具体机理。在凝聚态物理学中庞磁电阻效应可分为俩类：一类与顺磁-铁磁二级相变相联系。另一类则与电荷有序绝缘体-铁磁性金属相的一级相变相联系。前者称为第一类庞磁电阻效应，后者称为第二类庞磁电阻效应。对于第一类庞磁电阻效应，可用双交换作用模型作定解 释。但大多数亚锰酸盐则遇到不可克服的困难，如他不能解释居里点点Tc比上的半导体行为，也不能对庞磁电阻效应作出定量的解释。 二．庞磁电阻特点： 与巨磁电阻相比，庞磁电阻具有以下特点： （1）庞磁电阻是样品的本征属性。无论在薄膜，单晶或多晶上都可观察到。因此便有人称它为本征磁电阻，而并不具体强调庞大的磁电阻。 （2）庞磁电阻大多是各项同性。磁场与电流方向平行的纵向磁电阻，仅仅比磁场与电流方向垂直的横向磁电阻大百分之几。 （3）庞磁电阻在居里点点TC附近的数值很大。一般情况下比数值随Tc的增加而下降，故在温室下亚锰酸盐的磁电阻并不高。 （4）庞磁电阻出现在亚锰酸盐中截留子掺杂的特定浓度区域。通常Mn的表现价态在+3.3附近或+3.5附近。 （5）庞磁电阻的外加磁场需要很强，一般都是几个特斯拉。 三. 锰氧化物的结构材料及其庞磁电阻效应： 庞磁电阻锰氧化物一般具有钙钛矿结构,有类似的化学式RE1 - xAExMnO3 ,其中RE为三价的稀土金属元素如La3 + 、Pr3 + 、Nd3 + 、Sm3 + 或Bi3 + ,AE 是二价的碱土金属元素如Sr2 + 、 Ca2 + 、Ba2 + 或Pb2 + ,而最近的研究发现AE 采用碱金属离子如Na + 、K+ 、Li + 也能形成稳定的化合物。虽然GMR 和TMR 在物理、材料和器件方面已经取得很大成绩,但也有其不足之处。 其中材料的局限性比较突出:电子的平均自由程较短(一般为几十纳米) 、自旋极化率较低(小于50 %) 。对自旋极化率较低的问题,需要寻找具有较大自旋极化率的新材料。目前, 研究人员关 注一种称为“半金属磁体”( half-metallicmagnet s) 的材料。这种材料理想的电子状态是其费米能级处于一个自旋子带中,而另一个自旋子带刚好处于能隙处,所以处于费米面上的巡游电子 只有一种自旋,自旋极化率为100 %。目前最具希望的材料有NiMnSb、CrO2 和锰氧化物La0. 7Sr0. 3MnO3 等,其中钙钛矿结构的锰氧化物因为具有接近100 %的自旋极化率,而且在铁磁转变居里温度附近表现出极大的磁电阻效应(几T 的外加磁场下可达106 %以上) 而引起了广泛关注。这一极大的磁电阻效应一般称为庞磁电阻效应(colossal magnetoresistance , CMR) ,以与磁性金属多层膜或颗粒系统中的GMR 效应相区别。正是由于磁存储产业对更敏感和具有更快响应速度的磁探测器需求以及这一系统本身所展示的丰富物理内容,锰氧化物及其CMR效应受到了极大的重视。而研究中还发现多晶锰氧化物在较低的磁场(几百到几千Oe)下仍表现出较大的磁电阻效应, 被称为低场磁电阻效应( low-field magnetoresistance ,L FMR) ,这使锰氧化物磁电阻效应向实用化又前进了一步。更多地,锰氧化物作为一种典型的强关联电子体系,其中电子的电荷、轨道和自旋自由度相互耦合,使得其表现出多种奇异