非晶SmxCo1x薄膜的反常霍爾效應研究

李國科， 劉 巖， 趙瑞斌， 梁文會， 申俊杰

(石家莊鐵道大學 數理系， 河北 石家莊 050043)

非晶SmxCo1x薄膜的反?；魻栃芯?/p>

李國科， 劉 巖， 趙瑞斌， 梁文會， 申俊杰

(石家莊鐵道大學 數理系， 河北 石家莊 050043)

為了研究量子效應對磁性薄膜低溫輸運性質的影響，采用直流磁控濺射方法，通過改變Sm質量分數，制備了厚度約為100 nm的非晶SmxCo1-x系列薄膜。輸運性質測量發現，由于結構的高度無序，薄膜出現了顯著的弱局域化效應。當溫度低于50 K時，SmxCo1-x薄膜的縱向電阻率和反?；魻栯娮杪示S溫度降低而呈對數增長?；贛itra等人提出的顆粒模型，計算了弱局域化效應對縱向電導率和反?；魻栯妼实男拚?，并進一步分析了反?；魻栯妼逝c縱向電導率之間的依賴關系。結果表明x= 5.29%和x=16.7%樣品中弱局域化效應對霍爾電導的修正為零，與理論分析結果一致。

SmxCo1-x薄膜; 反常霍爾效應; 弱局域化效應

1 磁性材料反常霍爾效應

磁性材料的反?；魻栃捎梢韵陆涷灩矫枋鯷1-2]：

(1)

在低維無序系統中的量子效應，包括近藤效應、弱局域化效應和電子-電子相互作用，都會顯著改變和影響低溫縱向電阻率，而這些量子效應對反?；魻栃捌錁硕汝P系的影響還沒有被系統地研究[8]。SmCo5合金化合物是一種重要的垂直磁記錄材料，雖然之前的文獻已經對其磁性進行了詳細的報道，但是長期以來，人們對其輸運性質，尤其是對高度無序的非晶SmCo5薄膜的輸運性質關注較少。本課題組已經對非晶SmCo5薄膜的磁性進行了研究，并在厚度為35～100nm的樣品中發現了弱局域化現象[9]。本文旨在通過調控Sm和Co的化學比例，進一步研究量子效應對SmxCo1-x薄膜輸運性質的影響。

2 實驗

采用直流磁控濺射方法，用99.99%的SmCo5作為靶材，在靶材上放置1 mm×1 mm×10 mm的Sm或Co金屬片來調控薄膜中Sm和Co的相對含量。濺射室的背底真空優于2.5×10-4Pa，濺射的總氣壓保持在1 Pa不變，用覆蓋mask的玻璃作為基底，功率保持在48 W。制備的系列SmxCo1-x樣品使用X射線衍射儀(X′Pert Pro)測得薄膜厚度為100 nm左右，掃描探針顯微鏡(SPM,Nanoscope IV)觀察樣品形貌和磁疇，能譜儀(EDS，Energy Dispersive Spectrometer)分析其化學比，多功能物性測量系統(PPMS,Quantum Design,Inc)測量其輸運性質。

3 結果與討論

XRD測量顯示樣品為非晶結構(圖譜省略)。用EDS測得樣品中的Sm的質量分數分別為4.94%、5.29%和16.7%，其原子力顯微鏡(AFM)和磁力顯微鏡(MFM)圖如圖1所示(掃描尺寸均為1 μm)。從圖中可以看出，隨著樣品中Sm含量的增加，樣品表面顆粒明顯減小，x=4.94%，x=5.29%和x=16.7%樣品的表面平均粗糙度分別為5.20 nm，2.17 nm和1.49 nm，呈依次降低趨勢，表面磁疇分布逐漸明顯，在x=16.7%的樣品中發現類條狀磁疇。根據文獻上采用的比特圖法[10]，由磁光克爾效應[11]和磁力顯微鏡[12]等研究手段對磁疇結構的研究報道，這種類條狀磁疇的形成可能源于長程偶極能與短程磁相互作用之間競爭的結果[13-14]。

圖1 原子力顯微鏡圖((a)、(b)、(c))和磁力顯微鏡圖((d)、(e)、(f))

圖2給出了不同樣品的歸一化電阻率隨溫度變化的曲線。雖然樣品中的Sm含量存在差異，但是其電阻率具有相似的變化規律。較高溫度下表現為金屬性質，電阻隨溫度降低而降低，在50 K附近電阻出現極小值，溫度繼續降低，電阻率呈現對數增長。研究表明，這種電阻率隨溫度降低而對數增長的現象可能來源于3種不同的物理過程，即近藤效應、庫侖相互作用或者弱局域化效應[15]。

圖2 x=4.94%，x=5.29%和x=16.7%樣品歸一化縱向電阻率隨溫度的變化

近藤效應來源于稀磁合金中磁性雜質對載流子的散射，而本文研究的SmxCo1-x薄膜具有強鐵磁性，不屬于稀磁合金的范疇，所以薄膜中的近藤效應可以忽略[16]。對于另外2個物理過程無法排除，同時考慮后兩種量子效應后的低溫電導率通常可以表示為

(2)

為定量研究低溫下電阻率隨溫度對數增大的物理原因，利用式(2)對不同Sm含量樣品的σxx/L00隨lnT的變化曲線進行了擬合，擬合結果如圖3中黑色實線所示。擬合得到不同Sm含量樣品的弱局域化修正系數p和庫侖相互作用修正系數(1-F)值見表1，表1中AR和AAH分別是歸一化縱向電阻和歸一化反?；魻栯娮璧臏囟葦M合系數。其中對所有樣品p=1，表明弱局域化效應對σxx有十分明顯的修正，而(1-F)的數值相對較小，說明庫侖相互作用對σxx的修正較小。這表明盡管SmxCo1-x薄膜的化學比不盡相同，但低溫電阻的對數增加主要是由弱局域化效應造成的。

圖3 不同Sm含量樣品的σxx/L00隨 ln T 變化曲線

x/%斜率p1-FAAHAR2AR-AAH4．941．33910．3392．4591．4470．4355．291．16310．1632．2011．100-0．01016．71．17010．1702．3551．175-0．005

圖4顯示了x=4.94%的樣品在不同溫度下霍爾電阻率ρxy隨外加磁場H變化的曲線。ρxy-H曲線在低場下迅速線性增加主要是反?；魻栃呢暙I，其物理過程是由于外磁場迫使磁疇取向一致，使得反常霍爾電阻率ρAH迅速增加。在79.578×104A/m(10kOe)附近，反常霍爾電阻率ρAH達到飽和，此時正常霍爾電阻率起主要貢獻，正?；魻栯娮杪孰S外磁場增加而線性增大。將飽和部分的正?；魻栯娮杪什糠址聪蜓拥統軸(ρxy軸)的截距即為反常霍爾電阻率ρAH。圖4中插圖顯示了霍爾電阻率ρAH隨溫度的變化。顯然，類似于ρxx隨溫度的變化趨勢，在弱局域化效應的影響下，ρAH在低溫下也出現隨溫度下降而對數上升的現象。這種現象與之前報道的Fe薄膜[18]和近期報道的FePt薄膜[19]中發現的現象類似，顯示了弱局域化效應對反常霍爾電阻率的影響。

圖4 x=4.94%樣品在不同溫度下縱向電阻率ρxy隨外加場的變化

我們集中關注弱局域化效應對霍爾電導σAH的修正作用，根據Bergmann的報道[20]，定義“歸一相對變化量”,ΔN(Qij)=(1/L00R0)(δQij/Qij),其中ΔN(Qij) 分別表示 ΔNRxx,ΔNRAH和 ΔNσAH[σAH=RAH/Rxx2+RAH2]，分別為弱局域化效應對Rxx，RAH和σAH的修正：

(3)

(4)

圖5顯示了不同Sm含量樣品在30K以下Rxx和Rxy的歸一化相對變量(normalized relative change)隨lnT的變化。利用式(3)，對圖5的低溫區域數據擬合得到不同Sm含量樣品的AAH和AR值，以及對霍爾電導的修正系數2AR-AAH，見表1。由表1可知，x=4.94%樣品中弱局域化效應對霍爾電導的修正系數為0.435;而在x= 5.29%和x= 16.7%樣品中，AAH/AR≈2，即2AR-AAH≈0，也就是說弱局域化效應對其霍爾電導的修正為零，這與Mitra等人的理論計算結果高度一致[18]。

圖5 不同Sm含量樣品在30 K以下Rxx 和 Rxy的歸一相對變量隨著ln T的變化

4 結論

本文實驗研究了100 nm厚的高度無序的非晶SmxCo1-x薄膜的反?；魻栃Ｓ捎跓o序所導致的弱局域化效應，溫度低于50 K時，縱向電阻率和反?；魻栯娮杪示S溫度降低呈對數增長。得到了弱局域化效應對電導的修正，其中x= 5.29%和x=16.7%樣品中弱局域化效應對其霍爾電導的修正為零，與理論計算結果一致[21-22]。

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Study on anomalous Hall effect of amorphous SmxCo1-xfilms

Li Guoke, Liu Yan, Zhao Ruibin, Liang Wenhui, Shen Junjie

(Department of Mathematics and Physics,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China)

In order to characterize the influence of quantum effect on the transport properties of ferromagnetic films, the amorphous SmxCo1-xfilms with different chemical composition are prepared by DC magnetron sputtering.The transport properties of the films have been systematically studied.Owing to the weak localization effect, the logarithmic temperature dependence in both the longitudinal resistivityρxx(T)andtheHallresistivityρAH(T)hasbeenfoundwhenthetemperaturefallsbelow50K.BasedonthegranularmodelproposedbyMitra,etal.,theweaklocalizationcorrectiontotheconductanceisstudied.TherelationshipbetweenlongitudinalandanomalousHallconductivityisalsoanalyzed.Itwasfoundthatusingthesamplesforx=5.29% and 16.7%, the weak localization correction to the conductance is zero,which is in accordance with the theoretical result.

SmxCo1-xfilms; anomalous Hall effect; weak localization effect

2014- 10- 11 修改日期：2015- 01- 06

2012年度河北省博士后科研項目擇優資助；國家自然科學基金項目(51101049)；河北省自然科學基金項目(E2012205057, A2014205051，12965136D)

李國科(1980—)，男，河北邢臺，博士，講師，主要從事磁性材料研究.

E-mail：liguoke@126.com

TB383

A

1002-4956(2015)5- 0063- 04