Fe-Si-O顆粒膜的霍爾效應(yīng)研究

利用射頻共濺射方法制備了一系列不同金屬含量x的Fex(SiO2)(1?x)金屬?絕緣體顆粒膜，系統(tǒng)地研究了薄膜的霍爾效應(yīng)及其產(chǎn)生機(jī)理。在室溫和1.3 T的磁場(chǎng)下，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)為0.52時(shí)，霍爾電阻率有最大值為18.5 μΩ·cm。樣品的電阻率溫度曲線研究表明異常霍爾電阻率可能來源于3d局域電子-電子的散射作用。在300℃以內(nèi)的不同溫度下將Fe0.52(SiO2)0.48顆粒膜回火，飽和霍爾電阻率隨溫度的變化不大，樣品具有良好的熱穩(wěn)定性，這表明Fe0.52(SiO2)0.48顆粒膜在300℃下的溫度范圍內(nèi)有較好的應(yīng)用前景。
關(guān) 鍵 詞 顆粒膜; 磁性; 電阻率; 霍爾效應(yīng)

半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各種磁場(chǎng)傳感器領(lǐng)域[1-2]。在普通金屬中，由于載流子濃度較高，導(dǎo)致了霍爾系數(shù)比較低。磁性金屬及其合金中的霍爾電阻率遠(yuǎn)比普通金屬中的大[3]，主要原因是由于鐵磁性金屬中異?；魻栃?yīng)的存在所致，其大小與材料的磁化強(qiáng)度成比例。文獻(xiàn)[4]在對(duì)磁性金屬?絕緣體顆粒膜的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁性顆粒在滲渝閾值(Percolation Threshold)附近時(shí)，其異常霍爾電阻率比純磁性金屬的大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，稱該現(xiàn)象為巨霍爾效應(yīng)(Giant Hall Effect, GHE)[4]。與半導(dǎo)體材料相比，在滲渝閾值附近的磁性金屬?絕緣體顆粒膜具有更好的熱穩(wěn)定性和抗腐蝕性，可能成為制作高靈敏霍爾器件的理想材料。另外，巨霍爾效應(yīng)的測(cè)量為材料磁性的研究提供了較多的重要信息，如載流子類型、濃度、平均自由程等。本文研究了系列不同F(xiàn)e體積分?jǐn)?shù)x的Fe-Si-O納米顆粒膜的微結(jié)構(gòu)、磁性、輸運(yùn)性質(zhì)及霍爾效應(yīng)。
1 實(shí)驗(yàn)過程
Fe-Si-O顆粒膜采用射頻濺射法制備。靶為高純鐵片和SiO2靶組成的復(fù)合靶，薄膜沉積于Kapton襯底上。本底真空優(yōu)于7×10?4 Pa，濺射Ar氣壓為1.2 Pa。濺射過程中對(duì)基底始終通水冷卻。薄膜厚度用光干涉方法測(cè)量，膜厚約為0.82 μm。用X-射線能量色散分析儀(EDX)和X-射線光電子譜(XPS)分析了樣品的成份及各元素的含量。樣品的微結(jié)構(gòu)由透射電鏡(TEM)照片和X-射線衍射譜圖確定。薄膜的磁性由振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)測(cè)得。樣品室溫下的電阻率用傳統(tǒng)的直流四端法測(cè)得。利用Ketheley公司生產(chǎn)的一套專用霍爾效應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)(主要由納伏表、皮安計(jì)、恒流源、程控開關(guān)器、霍爾卡和計(jì)算機(jī)組成)，采用了誤差較小、精度較高的五端法測(cè)量了薄膜的霍爾電阻率。
2 結(jié)果和討論
圖1所示為體積分?jǐn)?shù)x=0.52的一個(gè)典型樣品的X-射線衍射譜圖。由圖可看出，薄膜中的磁性顆粒主要是α-Fe，而Fe2SiO4和γ-Fe2O3雜項(xiàng)很少。由謝樂公式估算出磁性晶粒的平均直徑為16.5 nm。TEM照片也顯示了[5]納米級(jí)的Fe顆粒均勻地鑲嵌在SiO2介質(zhì)中，其顆粒直徑為15.0 nm左右，表明該樣品中一個(gè)顆粒只包含一個(gè)晶粒。磁性金屬霍爾效應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式為：
04πxysRBRMρ=+ (1)
式中 ρ xy為霍耳電阻率；R0為正?；舳禂?shù)(Ordinary Hall Coefficient)；Rs為異?；魻栂禂?shù)(Extraordinary Hall Coefficient)；M為磁化強(qiáng)度。異?；魻栯娮杪士捎蔑柡突魻栯娮杪实慕^對(duì)值ρxys來描述。式中第一項(xiàng)為正常霍爾電阻率，主要是由于電子在磁場(chǎng)中的洛淪茲力作用；第二項(xiàng)為異?；魻栯娮杪剩饕怯捎跇O化的3d電子之間的散射所致[3]。