Cr1-xTe磁性薄膜材料的制备与电磁性能研究

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随着对电子器件小型化、低功耗和多功能化发展需求的增加,自旋电子学展现出了非常广阔的应用前景。与电子自旋相关的强关联电子体系是凝聚态物理、电子、材料等领域的研究热点,具有许多新奇的物理现象,如量子纠缠与拓扑结构、高温超导性、二维电子气中的分数量子霍尔效应、锰氧化物中的巨磁阻效应等等。Cr-Te化合物是具有Ni As结构的铁磁性材料,属于强自旋轨道耦合体系,其明显的反常霍尔效应、磁阻效应和垂直磁各向异性等电磁输运性能展现出了诱人的应用前景。本文通过分子束外延工艺在Sr Ti O3(111)单晶衬底上制备了Cr2Te3、Cr Te和不同组分含量的Cr1-xTe等一系列的Cr-Te薄膜样品及掺杂体系Cr2-xMnxTe3薄膜样品,并详细研究了其电磁输运性能。本文的研究内容主要包括以下几个方面:(1)通过分子束外延的方法在Sr Ti O3(111)衬底上探索了Cr2Te3薄膜的生长工艺,最佳生长条件时的衬底温度是275℃。在最佳衬底温度下合成了不同厚度的Cr2Te3薄膜,详细地研究了薄膜的电磁输运性能。结果显示,不同厚度的样品都具有明显的铁磁性,居里温度在175 K附近。反常霍尔信号和面外的磁滞回线都表明Cr2Te3具有明显的垂直磁各向异性,结果显示样品具有很高的矫顽力,达10 k Oe,且随着厚度的减小薄膜的矫顽力越大。磁电阻效应的研究表明Cr2Te3薄膜具有明显的负磁阻效应,且在居里温度附近的磁阻最大,超过40%。(2)通过分子束外延的方法,调节Cr、Te和Mn源的分子束流,在(111)取向的Sr Ti O3单晶衬底上生长了不同Mn掺杂浓度的Cr2-xMnxTe3薄膜。结果表明通过改变Mn源的温度或束流,Mn会以两种不同的方式掺入Cr2Te3薄膜体系中。一种是以替换Cr或空位的方式掺杂,另一种是以Mn和Te形成Mn Te晶体的形式嵌入Cr2Te3薄膜体系中。通过这两种方式掺杂形成的薄膜样品的电磁输运性能表现出明显的差异。首先,电阻随温度的变化曲线显示体系从铁磁金属相到顺磁绝缘相的转变温度不同。Cr2-xMnxTe3薄膜样品都具有明显的铁磁性,居里温度在175 K附近,随着Mn掺杂浓度的增加,薄膜样品的饱和磁化强度和矫顽力减小。Cr2-xMnxTe3薄膜样品表现出明显的负磁阻效应,且在居里温度附近的磁电阻最大,达到60%。Mn源温度为700℃的样品在低温(2 K)时展现出明显的拓扑霍尔效应。(3)通过分子束外延工艺在Sr Ti O3(111)单晶衬底上探索了薄膜生长过程中的衬底温度对Cr1-xTe薄膜结构和性能的影响,并详细研究了薄膜的电磁输运性能。X射线衍射图谱、拉曼光谱和能谱等各种表征结果显示,衬底温度对Cr1-xTe薄膜相结构的形成有明显的影响。在不同衬底温度下生长的薄膜样品都具有明显的铁磁性,随着衬底温度的升高,薄膜的居里温度从175 K增加到接近室温(290 K),且垂直薄膜平面的磁化强度逐渐减弱,而平行于薄膜平面的磁化强度逐渐增强。此外,在霍尔电阻信号输出曲线中观察到了Cr1-xTe薄膜的反常霍尔信号会在特定温度区间发生符号反转,利用这种极性符号反转可以实现材料的多阻态调控。磁电阻效应的研究表明Cr1-xTe薄膜具有明显的负磁阻效应,且在居里温度附近的磁阻最大。(4)通过分子束外延工艺在Sr Ti O3(111)衬底上成功合成了具有高质量结晶度和原子级平整表面的Cr Te薄膜,并详细研究了Cr Te薄膜的微观结构和电磁性能。通过对Cr Te薄膜体系详细的磁性研究可知,Cr Te薄膜样品具有居里温度高达330 K的室温铁磁性。Cr Te薄膜体系在面内不同温度范围表现出反铁磁相、铁磁相和顺磁相的宏观磁性,说明其具有丰富的磁结构及多种磁有序之间的竞争关系。当磁场增强时,Cr Te薄膜体系表现出明显的面外磁性,Cr原子的磁矩全部朝面外翻转,磁化强度远高于面内。Cr Te薄膜样品在较低温度(低于~90 K)时表现出正磁阻,而在较高温度(高于~90 K)时表现出负磁阻。低温下的正磁阻可能是样品中反铁磁相和铁磁相竞争的结果,也可能是来源于强关联的Cr Te体系中存在的电子—电子相互作用。Cr Te薄膜还显示出各向异性磁阻效应,磁阻效应在易磁化轴的方向上最为明显。最后,在霍尔输出信号中可观察到明显的反常霍尔效应、拓扑霍尔效应及霍尔信号的符号反转。
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