新型磁性纳米粒子组装薄膜的结构、磁性和电输运特性研究

摘要

纳米粒子以及由它们构成的纳米结构材料由于具有尺寸效应、量子限域效应和界面效应，通常显示出许多不同于常规块体材料的磁、光、电等特性，在现代工业、国防和高新技术发展中充当着重要的角色。纳米粒子复合薄膜材料由于其兼有复合材料和纳米材料两者的优点，引起了越来越多的关注，并成为一个重要的前沿研究领域。
　　本论文的研究工作包括两个方面:1）利用纳米粒子束流复合薄膜沉积系统将由等离子体溅射惰性气体冷凝法制备的Fe65Co35合金纳米粒子原位封装到由常规磁控溅射制备的Ni0.5Zn0.5Fe2O4薄膜中，制备了Fe65Co35@Ni0.5Zn0.5Fe2O4双磁性相纳米复合薄膜，并系统地研究了合金纳米粒子含量和退火处理对其微观结构和磁学性质的影响;2）利用等离子体溅射惰性气体冷凝的方法制备了尺寸均一的Fe、Co纳米粒子组装薄膜，并系统研究了粒子尺寸的均一性、粒子尺寸大小、氧化程度等对其结构、磁性和电输运性质的影响。主要研究结果如下:
　　(1)在Fe65Co35@Ni0.5Zn0.5Fe2O4纳米复合薄膜中，Fe65Co35合金纳米粒子被Ni0.5Zn0.5Fe2O4薄膜所包覆，形成的复合薄膜呈颗粒状结构，而不是常规薄膜的柱状结构，复合薄膜的磁学和电学性质主要由其复合状态和合金纳米粒子含量所决定。随后的退火处理可以进一步改善复合薄膜的软磁性质，随着退火温度的升高，复合薄膜的饱和磁化强度逐渐增加，矫顽力呈现出一个较复杂的变化趋势。对于Fe65Co35合金纳米粒子含量为24.5 wt.％的复合薄膜，经600℃退火处理后，其矫顽力降低至26 Oe，饱和磁化强度增至297 emu/cm3，表现出优良的软磁性质。
　　(2)随着测量温度的升高，Fe纳米粒子组装薄膜的饱和反常霍尔电阻率（ρAxy）先增加后降低并伴随着符号从正的到负的转变。当粒子尺寸从4.3 nm增加到10.1 nm时，饱和反常霍尔电阻率急剧降低;而当粒子尺寸由10.1 nm增加到16.1 nm时，饱和反常霍尔电阻率的降低较为缓慢。特别是在粒子尺寸为4.3 nm的纳米粒子组装薄膜中观测到一个巨大增强的反常霍尔效应，其反常霍尔系数比块状Fe的高了近4个数量级。在双对数坐标系中，随着纵向电阻率(ρxx)的增加，饱和反常霍尔电阻率逐渐降低并满足一个新的标度规律:log(ρAxv/ρxx)=口0+ b0 logρxx。
　　(3)在不同氧化程度的Co纳米粒子组装薄膜中，薄膜的纵向电阻率随温度的变化均存在一个最小值，随着氧气流量的增加，最小值的位置从150 K升高至300 K，但当氧气流量大于0.10 sccm时最小值的位置不再变化。当氧气流量为0和0.05 sccm时，Co纳米粒子组装薄膜在325-375 K的温度区间内满足标度关系ρAxv∝ργxx（γ=1.2、1.24）。当氧气流量为0.10 sccm、0.15 sccm和0.20 sccm时，在双对数坐标系中，在两个温度区间（5-300 K和325-375 K）上，饱和反常霍尔电阻率均随着纵向电阻率的增加而逐渐降低，也满足新的标度规律:log(ρAxy/ρxx)=a0+b0logρxx此外，与氧气流量为0 sccm的情况相比，氧气流量为0.20 sccm时的反常霍尔系数高出13倍。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 纳米粒子

1．1．1 纳米粒子概述

1．1．2 纳米粒子的基本效应

1．1．3 纳米粒子的典型制备方法

1．1．4 气相中纳米粒子的生成及粒径控制

1．2 磁性纳米功能复合材料

1．2．1 磁性纳米微粒的磁学特性

1．2．2 磁性纳米复合材料的磁学特性

1．2．3 磁性纳米功能复合材料的种类及其特征

1．2．4 磁性纳米复合颗粒膜的制备

1．3 反常霍尔效应(AHE)

1．3．1 Karplus和Luttinger本征机制

1．3．2 Skew scattering和Sidejump机制

1．3．3 贝里相位在AHE中的体现

1．3．4 Universal Scaling理论

1．4 本文的选题依据和研究内容

1．4．1 Fe65Co35@Ni0．5Zn0．5Fe2O4纳米复台薄膜的研究背景

1．4．2 Fe、Co纳米粒子组装薄膜的研究背景

1．4．3 本文的主要研究内容

参考文献

第二章 样品的制备与分析测试方法

2．1 薄膜的制备方法

2．1．1 纳米粒子束流复合薄膜沉积系统

2．1．2 工艺参数及实验材料

2．2 薄膜的结构和成分分析

2．2．1 薄膜厚度分析

2．2．2 X射线衍射分析

2．2．3 扫描电镜形貌分析

2．2．4 透射电镜形貌分析

2．2．5 薄膜成分分析

2．3 薄膜的性能表征

2．3．1 电阻率的测量

2．3．2 磁性的测量

2．3．3 电输运性质的测量

参考文献

第三章 Fe65Co35@Ni0．5Zn0．5Fe2O4纳米复合薄膜的制备、结构及磁学特性

3．1 引言

3．2 实验过程

3．3 实验结果和讨论

3．3．1 Fe65Co5合金纳米粒子的结构分析

3．3．2 纳米复合薄膜的成分、电学和磁学特性分析

3．3．3 不同退火温度下的薄膜的结构分析

3．3．4 不同退火温度下的薄膜的影貌分析

3．3．5 不同退火温度下的薄膜的成分分析

3．3．5 不同退火温度下的薄膜的成分分析

3．3．6 不同退火温度下的薄膜的磁性分析

3．4 本章小结

参考文献

第四章 Fe65Co35合金纳米粒子对Ni0．5Zn0．5Fe2O4薄膜结构及磁学特性的调控

4．1 引言

4．2 实验过程

4．3 实验结果和讨论

4．3．1 纳米复台薄膜的成分、结构和形貌分析

4．3．2 纳米复合薄膜的磁学特性分析

4．3．3 退火处理后纳米复合薄膜的成分、结构和彩貌分析

4．3．4 退火处理后纳米复合薄膜的磁学特性分析

4．4 本章小结

参考文献

第五章 不同厚度的Fe纳米粒子组装薄膜的电磁输运性质

5．1 引言

5．2 实验过程

5．3 实验结果和讨论

5．3．1 Fe纳米粒子的结构分析

5．3．2 Fe纳米粒子组装薄膜的形貌分析

5．3．3 Fe纳米粒子组装薄膜的磁性分析

5．3．4 Fe纳米粒子组装薄膜的电输运性质分析

5．3．5 Fe纳米粒子组装薄膜的的标度关系分析

5．4 本章小结

参考文献

第六章 不同粒子尺寸的Fe纳米粒子组装薄膜的电磁输运性质

6．1 引言

6．2 实验过程

6．3 实验结果和讨论

6．3．1 Fe纳米粒子尺寸大小的调控

6．3．2 Fe纳米粒子组装薄膜的形貌分析

6．3．3 Fe纳米粒子组装薄膜的磁性分析

6．3．4 Fe纳米粒子组装薄膜的电输运性质分析

6．3．5 Fe纳米粒子组装薄麒的标度关系分析

6．4 本章小结

参考文献

第七章 不同氧化程度的Co纳米粒子组装薄膜的电磁输运性质

7．1 引言

7．2 实验过程

7．3 实验结果和讨论

7．3．1 Co纳米粒子及其组装薄膜的结构，形貌分析

7．3．2 Co纳米粒子组装薄膜的磁性分析

7．3．3 Co纳米粒子组装薄膜的电输运性质分析

7．3．4 Co纳米粒子组装薄膜的标度关系分析

7．4 本章小结

参考文献

研究总结

主要结论

主要研究意义

博士期间研究成果

致谢