納米磁性材料的磁力顯微鏡研究及自旋注入有機(jī)半導(dǎo)體探索.pdf

1、磁性材料在電工技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，通訊技術(shù)以及最近興起的自旋電子學(xué)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。技術(shù)上的應(yīng)用對(duì)材料性能提出進(jìn)一步的要求，這反過來進(jìn)一步推動(dòng)了磁學(xué)和磁性材料的研究。我們知道，磁性材料的性能與其微觀晶體結(jié)構(gòu)和磁疇結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，研究材料的磁疇結(jié)構(gòu)不僅有助于了解材料本身的磁化和反磁化機(jī)理，了解矯頑力機(jī)制，而且對(duì)改進(jìn)材料生產(chǎn)工藝，進(jìn)而改善磁性能也都是非常重要的。觀察磁疇的技術(shù)方法有很多種，其中最有力的工具就是磁力顯微鏡，它具有高的空間分辨率

2、(10-50nm)，不需要特殊的樣品制備，并可以測(cè)量不透明及有非磁覆蓋層的樣品，可以在任意的環(huán)境中工作，操作比較簡單，采圖任意，適用的磁性材料的范圍也很廣，由于具有上述優(yōu)勢(shì)，使得磁力顯微鏡一經(jīng)出現(xiàn)，就成為應(yīng)用最廣泛的磁疇觀察工具。 本論文主要包括兩部分的工作：第一部分主要是納米磁性材料表面微結(jié)構(gòu)與磁疇結(jié)構(gòu)的測(cè)量與表征。包括：(1)利用磁力顯微鏡研究了三種不同材料的微晶結(jié)構(gòu)和磁疇結(jié)構(gòu)，分析了微晶結(jié)構(gòu)和磁疇結(jié)構(gòu)與其磁性的關(guān)系，討論了

3、其矯頑力機(jī)制，分析了其磁性變化的原因；(2)為加深對(duì)磁力顯微鏡成像原理的了解，并為分析納米顆粒的磁疇圖形提供理論參考，進(jìn)行了單疇亞微米磁性顆粒的磁力顯微鏡圖形的計(jì)算機(jī)模擬和一些亞微米磁性結(jié)構(gòu)的微磁學(xué)模擬；(3)對(duì)新型高分辨成像技術(shù)進(jìn)行了初步探索。除了上述關(guān)于材料的性能與表征的研究以外，我們還進(jìn)行了一些自旋極化載流子注入有機(jī)半導(dǎo)體方面的探索，作為論文的第二部分。具體的研究內(nèi)容和基本結(jié)果如下： 1、首次利用磁力顯微鏡直接在銅模吸鑄法

4、獲得的直徑為5 mm的Pr<,60>Al<,10>Ni<,10>Cu<,20-x>Fe<,x>(0≤x≤20)棒狀合金圓柱側(cè)表面觀測(cè)了其制備態(tài)的表面形貌結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的磁疇結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)隨著Fe摻雜量的增加，樣品從完全非晶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米晶非晶鑲嵌結(jié)構(gòu)，然后隨著鐵摻雜量的繼續(xù)增加，轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆{米晶結(jié)構(gòu)。伴隨著樣品的磁性從順磁性轉(zhuǎn)變?yōu)橛泊判?。在Fe含量大于10 at％的樣品的表面形貌圖和相應(yīng)區(qū)域的磁力圖中，觀測(cè)到了樣品表面的晶粒結(jié)構(gòu)圖和黑白磁斑相鄰

5、的磁疇結(jié)構(gòu)圖。樣品的平均磁疇寬度要遠(yuǎn)大于樣品平均晶粒尺寸，表明了樣品中大量的相鄰晶粒在交換耦合作用下磁化方向一致排列，這是樣品中存在交換耦合作用的直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)。分析了樣品從順磁性到硬磁性轉(zhuǎn)變的原因。引入了描述納米磁性顆粒相互作用的“新隨機(jī)各項(xiàng)異性模型”，很好的解釋了樣品磁性隨Fe含量的變化。 2、利用磁力顯微鏡觀測(cè)了快淬法制備的P<,ry>Fe<,90-y>B<,10>(y=8.0～11.76)納米復(fù)合永磁材料的微晶結(jié)構(gòu)和磁疇

6、結(jié)構(gòu)，以及隨Pr含量的變化樣品表面形貌和磁疇結(jié)構(gòu)的變化情況。樣品的平均磁疇寬度要遠(yuǎn)大于樣品平均晶粒尺寸，表明了樣品中大量的相鄰晶粒在交換耦合作用下磁化方向一致排列，這是樣品中存在交換耦合作用的直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)。隨著Pr含量的變化，樣品磁力圖中磁疇寬度和黑白反差明顯變化，其位相方均根粗糙度值(RMS)<,△ф>隨著Pr含量的增加先減小后增加，當(dāng)Pr含量為y=9.5時(shí)達(dá)到最大值，隨后隨Pr含量繼續(xù)增加逐步減小。這一變化趨勢(shì)與樣品的剩磁B<,r>

7、隨Pr含量的變化定性一致。當(dāng)Pr含量從y=8增加到9.5時(shí)，樣品剩磁Br的增加可能是因?yàn)閮蓚€(gè)原因?qū)е碌模阂皇莵喎€(wěn)相Pr<,2>Fe<,23>B<,3>和Fe<,3>B的減少；二是交換耦合作用的增強(qiáng)。樣品矯頑力隨著Pr含量的增加而增加，我們推測(cè)可能是由于Pr<,2>Fe<,14>B相的增加，低Pr含量樣品中的晶粒尺寸分布不均勻也是可能的原因之3、利用磁力顯微鏡和微磁學(xué)模擬相結(jié)合的方法研究了La<,0.7>Sr<,0.3>Fe<,11.8>

8、Co<,0.2>O<,19>燒結(jié)永磁鐵氧體的微晶結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的磁疇結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)：樣品中的顆粒多數(shù)呈不規(guī)則的扁圓柱形而不是我們通常認(rèn)為的不規(guī)則球形，在球磨的時(shí)候，大的顆粒傾向于首先沿垂直于C軸的氧離子層分裂，從而導(dǎo)致了大量的扁平顆粒的產(chǎn)生，而這對(duì)于提高產(chǎn)品的磁性能是非常不利的。這一發(fā)現(xiàn)以前尚未見報(bào)道。樣品中顆粒的磁疇結(jié)構(gòu)為單疇或簡單的多疇結(jié)構(gòu)。為了提高產(chǎn)品的磁性能，需要改進(jìn)生產(chǎn)工藝，提高球形顆粒的比例，減少扁平顆粒的比例，同時(shí)，顆粒的大小應(yīng)略

9、微小于單疇臨界尺寸。 4、定性的模擬了給定磁化方向的直徑500nm的球形相鄰磁性顆粒在各種情況下的磁力圖形，分析了抬針高度和探針磁化方向?qū)Υ帕D的影響。對(duì)我們加深對(duì)磁力顯微鏡成像機(jī)理的理解，正確分析顆粒材料的磁力圖提供了幫助，同時(shí)也為以后正確分析相似情形的磁力圖提供了有益參考。 5、用微磁學(xué)模擬的方法研究了亞微米軟磁圓盤的磁疇結(jié)構(gòu)在磁場(chǎng)下的變化。發(fā)現(xiàn)，在存在一個(gè)恒定的水平磁場(chǎng)分量(其值小于從旋渦結(jié)構(gòu)向單疇結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的臨界

10、磁場(chǎng)，此時(shí)旋渦中心處在圓盤邊緣)的情況下，其旋渦中心垂直開關(guān)磁場(chǎng)仍然遠(yuǎn)大于水平臨界磁場(chǎng)值，比沒有水平磁場(chǎng)分量時(shí)的垂直開關(guān)磁場(chǎng)值略小。研究了垂直開關(guān)磁場(chǎng)與水平磁場(chǎng)分量的關(guān)系，并分析了其與軟磁圓盤的直徑和厚度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)：旋渦中心垂直開關(guān)磁場(chǎng)和水平臨界磁場(chǎng)值與軟磁圓盤直徑關(guān)系不大，而跟圓盤厚度有很大關(guān)系；在傾斜磁場(chǎng)下，其水平臨界磁場(chǎng)值和旋渦中心垂直開關(guān)磁場(chǎng)只分別與傾斜磁場(chǎng)的水平分量和垂直分量有關(guān)，跟傾斜角度和總磁場(chǎng)值關(guān)系不大。在傾斜磁場(chǎng)下，

11、當(dāng)磁場(chǎng)從最大降為零之前(10 mT)，樣品磁結(jié)構(gòu)從單疇轉(zhuǎn)變?yōu)樾郎u結(jié)構(gòu)，其旋渦中心方向沿磁場(chǎng)方向排列。通過在形狀不對(duì)稱的軟磁圓盤樣品上施加與圓盤平面成一定角度的傾斜磁場(chǎng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)旋渦中心方向和旋渦手性(順時(shí)針或逆時(shí)針)的控制。 6、對(duì)超高分辨磁敏感成像技術(shù)進(jìn)行了初步的探索。針對(duì)自旋極化掃描隧道顯微鏡很難將形貌信息和磁信息正確分離的特點(diǎn)，通過將原子力顯微技術(shù)和自旋極化掃描隧道顯微技術(shù)結(jié)合，初步提出了一種超高分辨磁敏感成像技術(shù)的原

12、理，即：掃描探針采用彈性的導(dǎo)電微懸臂和磁性針尖，在掃描時(shí)，通過保持其針尖-原子間的力恒定來保持針尖-樣品距離恒定，從而獲得形貌信息，并使非自旋極化隧道電流部分保持不變，而自旋極化隧道電流部分隨樣品表面磁性變化而變化，測(cè)量總隧道電流的變化，從而實(shí)現(xiàn)磁敏感成像。我們還初步討論了其運(yùn)行模式。對(duì)探針需要滿足的條件和一些其它因素也進(jìn)行了初步的探索。 7、首次利用真空熱蒸發(fā)的方法制備了“LCMO／Al<,q3>／Co”有機(jī)自旋閥器件，并研究