铁磁金属纳米点接触的磁电阻

程 浩,刘 鸿,汪令江,郑勇林

(成都大学电子信息工程学院,四川成都 610106)

铁磁金属纳米点接触的磁电阻

程 浩,刘 鸿,汪令江,郑勇林

(成都大学电子信息工程学院,四川成都 610106)

分析和比较了运用不同制作方法制作的铁磁金属纳米点接触样品的弹道磁电阻现象,探讨了由于磁致伸缩或微磁力等机械因素引起的力致电阻效应对纳米点接触样品电阻的变化所产生的影响,在实验中得出了样品在磁场作用下所观察到的大比例的弹道磁电阻效应可能与力致电阻效应相关.

铁磁金属点接触;磁电阻;力致电阻

0 引 言

自在实验室中从铁磁性金属机械纳米接触样品中发现了超过200%的磁电阻现象以来,无论对于工业界还是学术界,铁磁性金属纳米点接触样品的输运特性一直是研究的热点[1].目前,在一些实验中,有超过100 000%的磁电阻现象的报道[2],这就意味着其只能是一种极化取向的电子通过纳米接触,通常将这种在铁磁金属纳米点接触样品中所观察到的高比例磁电阻现象称为弹道磁电阻效应.弹道磁电阻现象主要是由于极窄的畴壁对不同取向的极化电子散射率的极大差别所引起,也就是说,只允许一种极化取向的电子通过纳米接触,而另一种极化取向的电子基本上不通过纳米接触.由于弹道磁电阻效应被认为是一种纳米尺度乃至原子尺度的自旋电子相关的效应及其具有更高比例的磁电阻现象,在未来超高密度信息磁存储和量子计算机等方面的潜在应用,在今后相当一段时间内其仍将是研究的热点.但随着实验研究的深入,研究者逐渐发现在上述实验中所观察到的高比例的磁电阻现象可能还与纳米点接触的机械结构有很大的关系,而并不完全是由于畴壁对不同极化取向的电子的散射率的不同所引起的,即处在磁场中的纳米接触样品,其机械结构随着磁场的变化而改变,这对电阻的变化所造成的影响是不容忽略的.

所谓点接触样品,是指通过压力或其他方式使两个晶体表面之间直接形成导电通道.目前所研究的点接触样品都是纳米尺度的,以区别于量子化电导现象的点接触样品.典型的点接触样品的制作方法有机械、电化学和纳米颗粒冷压.由于电化学的方法能够准确控制点接触样品的接触面积的大小,也就是样品的电阻,因此,在研究点接触样品的电子弹道传输行为中更为常用.本文分析报告了运用3种典型制作纳米点接触样品方法制作的铁磁金属纳米点接触样品中所观察到的高比例的磁电阻现象,并分析讨论了在磁场的作用下,铁磁金属纳米点接触样品由于受到磁场所产生的磁力的作用而导致样品电阻的变化.

1 铁磁金属纳米点接触样品磁电阻现象

1.1 机械方法制作铁磁金属样品及磁电阻曲线

将2根直径为125μm的铁磁金属线按照如图1所示的“T”型结构在平面玻璃表面上进行排列,其中图1中所示“Ⅱ”线的两端用胶水固定在玻璃表面上,“Ⅰ”线的一端进行电化学抛光处理,使之形成表面光滑,不带毛刺的尖端;将线“Ⅰ”的尖端和线“Ⅱ”面对面放置,并在线“Ⅰ”的末端施加一定的压力使线“Ⅰ”和线“Ⅱ”之间形成导电通道,线“Ⅰ”和“Ⅱ”分别和直流电源的正负电极相连,调节直流电源的大小,使之保持恒定值+2 V;在导线“Ⅰ”的末端施加不同的力,由线“Ⅰ”和“Ⅱ”所组成的导电回路的电流将发生变化,也就是样品的点接触处的电阻发生变化,相应的点接触面积大小也会发生变化.为了尽量消除由于磁致伸缩和微磁力等机械因素对样品接触处的结构发生影响,需要将线“Ⅰ”和“Ⅱ”的绝大部分用强力胶水覆盖固定在平面玻璃表面上,在图1中,只有尖点所示纳米点接触处未被覆盖.将样品放在变化的磁场中进行磁阻测量,我们发现,由铁磁点接触样品所组成的回路的电阻随外磁场的变化而变化.典型的镍—镍铁磁金属机械纳米点接触样品的磁阻曲线如图2所示.需要说明的是,图2中的曲线为所施加的磁场方向平行于线“Ⅰ”的样品磁阻曲线,当所施加的磁场方向平行于线“Ⅱ”时的样品磁阻曲线与图2类似.

图1 “T”型结构的铁磁金属纳米点接触样品,经过电化学处理的线“Ⅰ”和线“Ⅱ”之间形成点接触

图2 机械方法制作的铁磁金属点接触样品的磁电阻曲线,相应的磁场方向平行于线“Ⅰ”

1.2 电化学方法制作铁磁金属样品及磁电阻曲线

运用电化学刻蚀和沉积的方法可以准确而方便地控制纳米点接触样品的电阻,也就是点接触处面积的大小.

按照如图1所示,在平面玻璃表面上对2根直径为125μm的铁磁金属线做“T”型结构排列,由于我们所研究的是运用电化学沉积的方法来形成纳米点接触样品,所以在电化学沉积以前,线“Ⅰ”经过电化学处理的光滑末端与线“Ⅱ”之间需要保持一个微米尺度的间隙,以便在图中所示线“Ⅰ”上进行电化学沉积,使线“Ⅰ”得到延长,从而与线“Ⅱ”形成纳米点接触样品.在实验中,电化学沉积的条件是：225 g/L FeSO4.7H2O,120 g/L Na2SO4.10H2O,PH值为3,阴极电势-4 V.制作的铁磁金属样品的磁电阻曲线如图3所示.

图3 电化学方法制作的铁磁金属点接触样品的磁电阻曲线,相应的磁场方向平行于线“Ⅰ”

1.3 冷压法制作铁磁金属样品及磁电阻曲线

另一种形成纳米点接触样品的方法是将金属颗粒冷压,形成由金属颗粒组成的阵列结构如图4所示.在实验中,纳米尺度的Fe3O4表面被一层薄的绝

图4 表面包裹一层FE2O3绝缘层的Fe3O4纳米颗粒的HRTEM图像,表明颗粒的尺寸小于10纳米

缘材料Fe2O3所包裹.高纯度的Fe3O4颗粒是通过固态反应法制备的：首先,将Fe粉末在空气中加热到775℃进行氧化,然后在氧气的条件下将粉末样品加热到1 425℃并保持700 min左右,以便在粉末表面形成一层Fe2O3绝缘层.图5是在这类样品中所测得的磁阻曲线.

图5 冷压法制作的包裹Fe2O3绝缘层的Fe3O4纳米颗粒阵列样品的磁电阻曲线

2 讨 论

在样品的尺度远远大于电子的平均自由程时,电子是以扩散的方式在样品体内进行传输,电子的电导由材料的外围电子能带结构和样品的缺陷造成的电子散射率的不同所共同决定的.公式(1)给出了自由电子传输Drude电导率,

从公式(1)我们可以看出,电子电导由电子结构包括费米波矢KF或电子数的密度n和电子的质量m之比,以及散射量包括平均自由程l或弛豫时间τ决定.在电子弹道传输区域,样品的尺度远远小于电子平均自由程,电子的电导仅由外围电子能带结构决定,而与缺陷造成的电子的散射过程无关.在铁磁体材料中,磁畴被定义为具有相同磁化方向的一个小区域,根据系统的能量最低原理,由多个不同磁化方向的磁畴所组成铁磁体材料的净磁化强度为零,相邻磁畴之间的磁化方向不是骤然改变的,而是一个逐渐变化的过程.因此,把在不同磁化方向的磁畴之间磁化方向逐渐变化的区域称为畴壁.在铁磁金属点接触样品等介观系统中,同样需要磁畴—畴壁结构,以维持整个样品系统的净磁化强度为零.在铁磁体材料当中,畴壁的厚度一般大于10 000个原子层的厚度,理论上预计畴壁的厚度随着样品的尺度的减小而减小[3],它的极端情况就是在铁磁金属点接触样品中,在点接触处存在着纳米乃至原子尺度的畴壁.在铁磁体材料中,由于畴壁的宽度较宽,因此对不同极化方向的电子的导电行为不加以区别,也即不显著影响样品的电阻[4].

随着纳米加工技术和自旋电子学的发展,实验上可以测量单个畴壁对电子的导电行为发生的影响[5-8],由畴壁引起的电阻有时候为负[5],有时候为正[6-8],两种作用结果都得到了理论上的解释[9-11].在铁磁金属纳米点接触样品中,在点接触处附近存在着磁畴和畴壁结构,随着所施加的磁场的改变,磁畴和畴壁会发生相应的移动,当随磁场发生移动的畴壁正好位于纳米点接触处时,相应的畴壁变得最薄,对一种极化取向的电子的散射程度也最为强烈,而对另一极化取向的电子的散射较弱[12],也即不同极化取向的电子对极窄的畴壁的透过率不同,公式(2)[13]直观地给出了电子的电导,

式中,T表示电子的透过率.

需要说明的是,本文所列举的3种典型纳米点接触样品的制作方法存在着和现代半导体工艺的兼容问题,因此很多科学工作者运用掩膜的纳米光刻技术在半导体表面制作纳米尺度的点接触样品[14-16],而在这类样品中并没有发现所期待的大比例的磁电阻现象,这使得在实验中所观察到的大比例的弹道磁电阻效应的起源引起了广泛的争论.当铁磁金属纳米点接触样品放在变化的磁场中,由于受到磁致伸缩和微磁力的作用,点接触的界面结构必然会发生机械变化,这些变化当然会引起点接触样品电阻的变化,称之为力致电阻效应,电阻的变化是由机械因素引起的界面的原子重新排列所引起[17,18].

3 结 论

目前,在实验上还缺乏手段来表征纳米区域的磁结构,因此用极窄的畴壁对不同极化取向的电子散射率的不同来解释极大比例的弹道磁电阻效应缺乏直接的证据.另一方面,由于磁致伸缩和微磁力等力致电阻效应引起的铁磁金属纳米点接触样品在接触界面发生的原子重新排列不可避免,由原子重新排列引起的样品电阻的变化对我们所测量的极大比例的磁电阻效应的影响是不可忽略的.

[1]Garcia N,Munoz M,Qian G G,et al.Ballistic Magnetoresistance in A Magnetic Nanometer Sized Contact：An Effective Gate for Spintronics[J].Applied Physics Letters,2001,79(27)：4550-4553.

[2]Chopra H D,Hua S Z.Ballistic Magnetoresistance over3 000% in Ni Nanocontacts at Room Temperature[J].Physical Review (B),2002,66(2)：20403-20406.

[3]Tatara G,Zhao Y W,Mun～oz M,et al.Domain Wall Scattering Explains300%Ballistic Magnetoconductance of Nanocontacts [J].Physical Review Letters,1999,83(10)：2030-2033.

[4]Doudin B,Viret M.Ballistic Magnetoresistance?[J].Journal of Physics：Condensed Matter,2008,20(8)：83201-83212.

[5]Khotkevich A V,Yanson I K.Atlas of Point Contact Spectra of Electron-Phonon Interaction in Metals[M].Boston/Dordrecht/ London：K luver Academic Publishers,1995.

[6]Mészáros G,Kronholz S,Karthäuser S,et al.ElectrochemicalFabrication and Characterization of Nanocontacts and Nm-sized Gaps[J].Applied Physics(A)Materials Science and Processing,2007,87(3)：569-575.

[7]Serrate D,Teresa J M,Algarabel P A,et al.Grain-boundary Magnetoresistance up to42T in Cold-pressed Fe3O4Nanopowders[J].Journal of Applied Physics,2005,97(8)：84317-84322.

[8]Wooten F.Optical Properties of Solids[M].NewY ork：Acadmic Press,1972.

[9]Dressel M,Gruner G.Electrodynamics of Solids[M].Cambridge：Cambridge University Press,2002.

[10]Landauer R.Can a Length of Perfect Conductor Have a Resistance?[J].Physics Letters(A),1981,85(2)：91-93.

[11]Bruno P.Geometrically Constrained Magnetic Wall[J].Physical Review Letters,1999,83(12)：2425-2428.

[12]Cabrera G G,FalicovL M.Theory of the Resiudual Resistivity of Bloch Walls：I Paramagnetic Effects[J].Physica Status Solidi (B),1974,61(2)：539-549.

[13]Ruediger U,Yu J,Zhang S,et al.Negative Domain Wall Contribution to the Resistivity of Microfabricated Fe Wires[J].Physical Review Letters,1998,80(25)：5639-5642.

[14]Ravelosona D,Cebollada A,Briones F,et al.Domain-wall Scattering in Cpitaxial Fe Pd Ordered Alloy Films with Perpendicular Magnetic Anisotropy[J].Physical Review(B),1999,59 (6)：4322-4325.

[15]Ebels U,Radulescu A,Henry Y,et al.Spin Accumulation and Domain Wall Magnetoresistance in35nm Co Wires[J].Physical Review Letters,2000,84(5)：983-986.

[16]Danneau R,Warin P,AttanéJ P,et al.Individual Domain Wall Resistance in Submicron Ferromagnetic Structures[J].Physical Review Letters,2002,88(15)：157201-157204.

[17]Tatara G,Fukuyama H.Resistivity Due to a Domain Wall in Ferromagnetic Metal[J].Physical Review Letters,1997,78 (19)：3773-3776.

[18]Levy P M,Zhang S.Resistivity Due to Domain Wall Scattering [J].Physical Review Letters,1997,79(25)：5110-5113.

Magnetoresistance of Ferromagnetic Nanocontacts

CHENG Hao,LIU Hong,WANGLingjiang,ZHENG Yonglin

(School of Electronic and Information Engineering,Chengdu University,Chengdu 610106,China)

The Ballistic Magnetoresistance of the ferromagnetic nanocontacts samples fabricated by different making methods were studied and compared.Impacts of the magnetoresistance induced by mechanical factors such as the magnetostriction and tiny magnetic force on the resistance change of nanocontacts were discussed.The conclusion is that the observed high ratio magnetoresistance may be related to magnetostriction and magnetic dipole force in the ferromagnetic point nanocontacts.

ferromagnetic metal nanocontact;magnetoresistance;resistance induced by force

TB383

：A

2010-07-16.

程 浩(1973—),男,博士,副教授,从事材料物理与化学,新能源发电技术研究.