磁电子学是当今国际凝聚态物理和材料科学界关注的方向之一，它是小型化，快速化，高存储密度，高灵敏磁性器件的基础。自旋电子学的基础研究有着丰富的物理内涵，应用研究又具有明确的应用目标和广阔的市场前景。目前，非挥发性磁存储记忆器件—磁存储器Magnetic Random Access Memory（MRAM）的研究和开发已成为自旋电子学研究的主要应用目标；而在室温和低磁场下，具有足够大的磁电阻（MR）效应成为实现MRAM器件应用的前提。采用高自旋极化率（P）的材料是产生大的隧穿磁电阻（TMR）效应的关键之一，而半金属（half-metal）铁磁材料的自旋极化率P理论上可达100％。近年来，实验上已制备出许多具有高自旋极化率的氧化物材料，如CrO₂（P=98.4％）、Fe₃O₄（P=-80％）和LaCaMnO₃（P=78％）等，与理论预言的半金属材料十分接近。半金属CrO₂被认为是最具开发潜力的、理想的自旋电子器件的电极材料。虽然单晶CrO₂的MR并不大，但多晶CrO₂薄膜和冷压CrO₂粉末体低温下具有较大的负MR效应（23～30％）。而在CrO₂／Cr₂O₃复合物中，其低温磁电阻可增强到-50％。因此，采用CrO₂-绝缘颗粒复合的方法，以形成新的微结构来调整颗粒界面状态和隧穿势垒性质，是降低外磁场、增强外禀磁电阻效应的有效手段。目前，爱尔兰（Coey）、德国（Ziese）、美国（Chien、Xiao、Tang、IBM）等国的研究组已经开展了一些CrO₂制备和磁输运机制的研究工作，但未有CrO₂颗粒复合材料磁输运性质的详细研究报道。 本论文的目的是研究两类复合材料：针形CrO₂和球形绝缘颗粒复合型；聚合物包裹CrO₂颗粒型。系统地探讨组分对微结构和磁电阻效应的影响，以及复合材料中的磁输运机制；分析这两种复合体系的微观结构与磁输运性质的关系；寻找室温下增强磁电阻效应的有效途径和方法。 主要研究内容包括：高自旋极化颗粒复合材料磁输运性质的实验研究 摘要1．CrO。0O。颗粒复合物 这是针状、导电的磁性CrOZ颗粒和粒径比CA12大得多的、球形且绝缘的非磁TIO。颗粒的复合材料。我们重点研究了这两类不同几何形状和大小、自旋极化和导电性能相差甚远的两相复合材料的磁输运性质。 门)磁电阻与逾渗效应。TIO。颗粒的粒径比CrO。大得多，形状为球形，这 两种颗粒复合形成一类新的微结构，以降低CtoZ渗流阈值浓度，提高 低场磁电阻。实验表明，渗流阈值 p产19．2，比相同粒径、形状的 CrO。颗 粒复合体要低，并再次证实了逾渗阈值附近，复合体的MR达到极大 ～9．2％，T－77K人这进一步表明在金属一绝缘体相变附近的微观结构对磁 电阻效应产生重大的影响。这在CrOZ颗粒复合体磁输运研究中尚属首 次。同时，我们提出采用针形CtoZ颗粒等效排空体积的方法，研究了微 几何结构与逾渗阈值的关系。研究发现，这类微结构在室温下存在一个 非普适电导临界指数 tk2)，并指出电子跃迁hopping)是电输运的主 要机制。 （2）应用阻抗谱分析技术首次研究了 CrOZ－TIOZ颗粒复合体的磁电阻效应， 探讨了晶粒与晶界电阻对磁输运的贡献。实验表明，不仅晶界（颗粒边 界）的电磁性质对磁电阻有重要作用，而且CrOZ晶粒与晶界电阻率配比 对磁电阻也有很大的影响。特别是在逾渗阈值附近，CrOZ晶粒及颗粒边 界的结构和性质对磁电阻和阻抗图谱有显著的影响。讨论了微观结构、 颗粒取向度和阻抗图谱的关系。首次报道了采用谱分析技术分离CrO。 颗粒复合体微几何结构对磁电阻效应贡献。 u)系统地研究了渗流阈值附近复合材料在不同温度下 （7I00K）的 AC响 应和磁阻抗效应。这种半金属CrOZ颗粒复合材料的频率响应和磁阻抗效 应的研究迄今未见报道。实验研究发现：AC磁电阻随着频率的增高由负 匹互高自旋极化颗粒复合材料四输运性质的实验研究 摘要 磁电阻渡越到正磁电阻效应，而正、负磁电阻的开关频率从n又是温度 的函数，且与温度成正比。因此，这种开关效应可能成为新型高频自旋 电子器件开发的基础。2．CrO。一聚苯乙烯复合物 首次研究了半金属CrO。颗粒与聚合物组成的复合材料。采用聚合物溶液包 裹技术，在CtoZ颗粒外包裹一层聚苯乙烯聚合物，以形成隧穿势垒，达到增大 低场磁电阻效应的目的。率先报道了CrO。颗粒表面的聚苯乙烯绝缘层厚度为～ 2 urn时，在室温下观察到一个很大的磁电阻：MR＝．8．2％，H＝6．SKOe(通常： J～2％人 探索了一条增大低场高温磁电阻的新途径。并对这类半金属聚合物 复合材料的电学、磁学、磁输运性质、导电机制、热分析和微观结构进行了较 为系统的分析和讨论。3．CrO。颗粒晶体学性质与磁电阻的关系 对CrO粉末颗粒进行不同时间的球磨，研究CA12颗粒尺寸、晶?