鐵及鐵合金的反常霍爾效應(yīng)和磁性研究.pdf

1、人們對磁的研究在過去二十年時間里有了全新的發(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、輸運狀態(tài)下的自旋變化。這一領(lǐng)域的主要推動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行計算。實驗上，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，并由此拓展為一個包含多種器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計、多種機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，反常霍爾效應(yīng)(anomalous Hall effect，AHE)無疑是一朵奇葩。因為這一現(xiàn)象1889年就已經(jīng)被霍爾本人發(fā)現(xiàn)。但是關(guān)于其機理是來自于非本征機制還是本征機制的爭論一直延續(xù)到了今天?，F(xiàn)存的幾種機理包括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)致的斜散射機制(skew scattering)以及1971年Be

3、rger提出的side jump非本征機制。其復(fù)雜的理論模型和實驗現(xiàn)象使得簡單的實驗不能結(jié)束這一爭論。今天，人們發(fā)現(xiàn)AHE的機理同樣適用于自旋霍爾效應(yīng)。這使得對其機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AHE的經(jīng)典體系-Fe單晶進行了研究。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在一

4、定范圍內(nèi)能保持本征機制不變。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度的同時也改變了本征機制的缺陷。正是這一特點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為的反?；魻栯娮杪逝c非本征散射強度(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驗數(shù)據(jù)。進而根據(jù)實驗數(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)雜實驗現(xiàn)象，函數(shù)中的各項分別與skew sca

5、ttering、sidejump和本征機制聯(lián)系起來。更為重要的是，它對以前理論上理解不夠清楚的有限溫度情況的實驗結(jié)果做了總結(jié)，這必將促進理論的進一步完善。
　　2.通過對樣品的不同設(shè)計，顯示了對界面的調(diào)節(jié)、襯底的變化和摻雜的不同對本征和非本征機制的影響。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。對可能的原因進行了討論。這部分實驗結(jié)果為第一性原理計算提供了參照對象。除此之外，還觀察到了鐵磁材料在超薄時的局域化現(xiàn)象。結(jié)合之前的研究工作，確定在GaAs襯底上的Fe薄膜非本征散射機制中包含很強的side jump機制，這支持在厚膜中得出的函數(shù)關(guān)系中有一項是side jump機制的推論。MgO襯底上的Fe薄膜sid