反應(yīng)濺射外延半金屬Fe3O4 薄膜的各向異性和界面耦合

李 鵬 劉曉芬 金 朝 米文博 姜恩永 白海力

(天津大學(xué)理學(xué)院現(xiàn)代材料物理研究所 天津 300072;天津市低維功能材料物理與制備技術(shù)重點實驗室 天津 300072)

　　摘要 半金屬Fe3O4 具有較高的居里溫度(858 K)和理論上100%的自旋極化率，是自旋電子學(xué)器件的理想候選材料。近年來Fe3O4 由于其半金屬特性而備受關(guān)注。我們采用對向靶反應(yīng)濺射法在MgO、c–Al2O3、SrTiO3、Nb：SrTiO3、ZnO 等基底上制備了外延Fe3O4 薄膜以及外延Fe3O4/ZnO、Fe3O4/Nb：SrTiO3、Fe3O4/BiFeO3 等異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并對其磁各向異性和各向異性磁電阻進(jìn)行了研究。

　　X射線衍射和斷面高分辨透射電鏡的結(jié)果均表明在單晶基底上用反應(yīng)濺射法制備的Fe3O4 為具有尖晶石結(jié)構(gòu)的外延薄膜。圖1 給出了Fe3O4/MgO 的斷面高分辨透射電子顯微鏡圖像。圖1 左上角的插圖中為Fe3O4/MgO 界面處的電子衍射圖，其單晶電子衍射的點陣與X 射線衍射分析的結(jié)果相一致。X射線光電子能譜和激光顯微拉曼光譜的分析表明樣品中不存在與Fe3O4 具有相同晶體結(jié)構(gòu)和相近晶格常數(shù)的γ-Fe2O3。

　　在外延Fe3O4 薄膜中觀察到了與傳統(tǒng)兩重軸對稱的各向異性磁電阻不同的四重軸對稱的各向異性磁電阻，如圖2 所示。認(rèn)為高對稱性的各向異性磁電阻與本征生長缺陷反相邊界旁的反鐵磁耦合和樣品的磁晶各向異性密切相關(guān)。Fe3O4/BiFeO3 異質(zhì)外延結(jié)構(gòu)的飽和磁化強度與BiFeO3 薄膜厚度存在反比例變化關(guān)系。BiFeO3 薄膜厚度約為22 nm 時，F(xiàn)e3O4/BiFeO3 異質(zhì)結(jié)的飽和磁化強度值增大了33%，其物理機(jī)制是在外加磁場的作用下，F(xiàn)e2BO4/FeO 界面層處的兩相通過軌道重組發(fā)生鐵磁雙交換作用以及Fe 離子磁矩反轉(zhuǎn)為鐵磁排列而導(dǎo)致磁矩增強。

　　基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(50371061;50672064;51072132 & 51272174)