Fe-Si-O颗粒膜的霍尔效应研究

利用射频共溅射方法制备了一系列不同金属含量x的Fex(SiO2)(1−x)金属−绝缘体颗粒膜，系统地研究了薄膜的霍尔效应及其产生机理。在室温和1.3  T的磁场下，当体积分数为0.52时，霍尔电阻率有最大值为18.5  μΩ·cm。样品的电阻率温度曲线研究表明异常霍尔电阻率可能来源于3d局域电子-电子的散射作用。在300℃以内的不同温度下将Fe0.52(SiO2)0.48颗粒膜回火，饱和霍尔电阻率随温度的变化不大，样品具有良好的热稳定性，这表明Fe0.52(SiO2)0.48颗粒膜在300℃下的温度范围内有较好的应用前景。关  键  词  颗粒膜;  磁性;  电阻率;  霍尔效应半导体的霍尔效应已经被广泛地应用于各种磁场传感器领域[1-2]。在普通金属中，由于载流子浓度较高，导致了霍尔系数比较低。磁性金属及其合金中的霍尔电阻率远比普通金属中的大[3]，主要原因是由于铁磁性金属中异常霍尔效应的存在所致，其大小与材料的磁化强度成比例。文献[4]在对磁性金属−绝缘体颗粒膜的研究中发现，当磁性颗粒在渗渝阈值(Percolation  Threshold)附近时，其异常霍尔电阻率比纯磁性金属的大几个数量级，称该现象为巨霍尔效应(Giant  Hall  Effect,  GHE)[4]。与半导体材料相比，在渗渝阈值附近的磁性金属−绝缘体颗粒膜具有更好的热稳定性和抗腐蚀性，可能成为制作高灵敏霍尔器件的理想材料。另外，巨霍尔效应的测量为材料磁性的研究提供了较多的重要信息，如载流子类型、浓度、平均自由程等。本文研究了系列不同Fe体积分数x的Fe-Si-O纳米颗粒膜的微结构、磁性、输运性质及霍尔效应。1  实验过程Fe-Si-O颗粒膜采用射频溅射法制备。靶为高纯铁片和SiO2靶组成的复合靶，薄膜沉积于Kapton衬底上。本底真空优于7×10−4  Pa，溅射Ar气压为1.2  Pa。溅射过程中对基底始终通水冷却。薄膜厚度用光干涉方法测量，膜厚约为0.82  μm。用X-射线能量色散分析仪(EDX)和X-射线光电子谱(XPS)分析了样品的成份及各元素的含量。样品的微结构由透射电镜(TEM)照片和X-射线衍射谱图确定。薄膜的磁性由振动样品磁强计(VSM)测得。样品室温下的电阻率用传统的直流四端法测得。利用Ketheley公司生产的一套专用霍尔效应测量系统(主要由纳伏表、皮安计、恒流源、程控开关器、霍尔卡和计算机组成)，采用了误差较小、精度较高的五端法测量了薄膜的霍尔电阻率。2  结果和讨论图1所示为体积分数x=0.52的一个典型样品的X-射线衍射谱图。由图可看出，薄膜中的磁性颗粒主要是α-Fe，而Fe2SiO4和γ-Fe2O3杂项很少。由谢乐公式估算出磁性晶粒的平均直径为16.5  nm。TEM照片也显示了[5]纳米级的Fe颗粒均匀地镶嵌在SiO2介质中，其颗粒直径为15.0  nm左右，表明该样品中一个颗粒只包含一个晶粒。磁性金属霍尔效应的经验公式为：04πxysRBRMρ=+  (1)式中  ρ  xy为霍耳电阻率；R0为正常霍耳系数(Ordinary  Hall  Coefficient)；Rs为异常霍尔系数(Extraordinary  Hall  Coefficient)；M为磁化强度。异常霍尔电阻率可用饱和霍尔电阻率的绝对值ρxys来描述。式中第一项为正常霍尔电阻率，主要是由于电子在磁场中的洛沦兹力作用；第二项为异常霍尔电阻率，主要是由于极化的3d电子之间的散射所致[3]。