1、稀土摻雜鈣鈦礦錳氧化物材料在信息存儲方面的應(yīng)用摘要： 綜述了鈣鈦型礦錳氧化物的空間結(jié)構(gòu)和電磁性能以及龐磁電阻效應(yīng)。全文分三部分，首先對信息存儲材料的應(yīng)用和研究進展進行了闡述；然后重點對稀土摻雜錳氧化物作為一種高性能電磁存儲材料的結(jié)構(gòu)和電磁性能進行分析，描述巨磁電阻效應(yīng)和低場磁電阻效應(yīng)；最后，指出了該材料的優(yōu)缺點。關(guān)鍵詞： 鈣鈦礦型錳氧化物，信息存儲，龐磁電阻效應(yīng)1. 引言信息存儲材料是指用于各種存儲器的一些能夠用來記錄和儲存信息的材料。這類材料在一定的強隊的外場（如光、電、詞或熱等）作用下發(fā)生從某一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)的突變，并能將變化后的狀態(tài)保持較長的時間。在當(dāng)前的計算機系統(tǒng)中，信息的長期儲存

2、主要是通過磁記錄和光記錄技術(shù)實現(xiàn)的。磁記錄技術(shù)雖已有40多年之久，但仍然是當(dāng)今信息存儲的主要方式，而硬盤驅(qū)動器則是計算機系統(tǒng)中最流行的信息存儲設(shè)備。對讀出磁頭的革新是實現(xiàn)硬盤驅(qū)動器高密度、大容量和小型化這一趨勢的關(guān)鍵。在過去的10多年，龐磁電阻(CMR)材料因其有趣的基本結(jié)構(gòu)、電磁特性以及潛在的在磁存儲、磁傳感和磁制冷等方面有著誘人的應(yīng)用前景，受到了很多關(guān)注。其中，具有龐磁電阻效應(yīng)的稀土摻雜錳氧化物成為了凝聚態(tài)物理研究的重要領(lǐng)域。錳氧化物的載流子自旋極化率高,且在居里溫度附近表現(xiàn)出很大的磁電阻效應(yīng),因此在信息存儲中有潛在的應(yīng)用前景。2. 鈣鈦礦錳氧化物結(jié)構(gòu)鈣鈦礦錳氧化物具有鈣鈦礦型ABO3結(jié)構(gòu)

3、。理想的ABO3(A=RE和堿土金屬，B=Mn)鈣鈦礦具有空間群為Pm3m的立方結(jié)構(gòu)，如以A原子為立方晶胞的頂點，則氧和錳原子分別處在面心和體心位置，見圖1所示。還可看到B原子處于O原子形成的八面體中。實際的ABO3。晶體都畸變成正交(orthorhombic)對稱性或菱面體(rhombohedra1)對稱性。發(fā)生畸變的原因主要是錳原子 中的 電子使氧形成的八面體發(fā)生畸變，通稱為JahnTeller不穩(wěn)定性畸變。它使態(tài)的簡并解除。另一種可能性是由于A原子比B原子大，使AO層與B0 層原子直徑之和有較大差別 引起相鄰層不匹配所致。未摻雜的稀土錳氧化物多具有正交對稱性，圖2示出了LaMnO3的晶格

4、結(jié)構(gòu)。由于畸變使Mn-O間距由立方結(jié)構(gòu)的0197變成0.191，0.1 96和0.218nm。ABO3正交對稱可具有兩種類型，一種稱Oorthorhombie(ac2，b)；另一種稱為Dr-orthorhomblc(c 2 a，b)。LaMnO3屬于后一種對稱性。摻雜的稀土錳氧化物L(fēng)a 1-xTx MnO3，由于出現(xiàn)Mn4+離子，其結(jié)構(gòu)可能隨摻雜量x的增加而從低對稱性向高對稱性轉(zhuǎn)變。例如T=Ca，Sr和Ba 時Mn4+隨摻雜量增加而增加。 圖1：鈣鈦礦結(jié)構(gòu)圖2：LaMnO3的0 一orthorhombic結(jié)構(gòu)3. 稀土摻雜錳氧化物電磁性能鈣鈦礦錳氧化物的電磁性能體現(xiàn)在其龐磁電阻效應(yīng)上。磁電阻效

5、應(yīng)是指體系的電阻(率)因外加磁場而出現(xiàn)變化一般定義MR= (0)-(H)/ (O)，為樣品的電阻率，H為外加磁場強度，正磁電阻時MR為負，而負磁電阻時MR為正。而龐磁電阻效應(yīng)（colossal magnetoresistance，CMR），是指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時較之無外磁場作用時存在巨大變化的現(xiàn)象。龐磁阻是一種量子力學(xué)效應(yīng)，它產(chǎn)生于層狀的磁性薄膜結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替疊合而成。當(dāng)鐵磁層的磁矩相互平行時，載流子與自旋有關(guān)的散射最小，材料有最小的電阻。當(dāng)鐵磁層的磁矩為反平行時，與自旋有關(guān)的散射最強，材料的電阻最大。錳氧化物要表現(xiàn)出CMR需兩個外部條件，一是溫度

6、處于其居里點Tc 附近，二是需要幾特斯拉的較大外磁場，所以目前CMR更多是學(xué)術(shù)上的美麗，未能獲得實際應(yīng)用的青睞，因而探索CMR氧化物在室溫低磁場下的低場磁電阻增強就變成我們工作的目標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)，在較低溫度 T(Tc )下，錳氧化物單晶和外延生長的薄膜在H 較低時基本上沒有磁電阻效應(yīng)，但稀土摻雜錳氧化物多晶陶瓷或薄膜卻能有顯著的磁電阻(在幾百高斯磁場下，MR20)，被稱為低場磁電阻效應(yīng) 。CMR錳氧化物可以表示為Re1-xA xMnO3(Re為稀土元素La、Pr或Nd等，A為二價堿土離子Ca、Sr或Ba)。對LFMR效應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn)：LFMR只發(fā)生在錳氧化物多晶樣品中； 在T Tc時，錳氧化物多晶

7、樣品仍然存在可觀的MR；LFMR隨溫度升高而迅速減小。大量實驗結(jié)果表明，多晶樣品中LFMR效應(yīng)來源于晶界處傳導(dǎo)電子的自旋極化隧穿和散射。Gupta等9對此的物理解釋是：由于存在晶粒邊界，多晶的電阻率比單晶高；而磁阻產(chǎn)生源于兩種機制，即 附近MR極大值來源于晶粒中本征的CMR機制，而低溫下的MR來源于晶粒邊界處自旋極化散射(Spin polarized scattering，SPS)。SPS的基本物理圖像是晶粒邊界處磁無序使之成為強散射中心，導(dǎo)致較大電阻率；而外加磁場使得晶粒內(nèi)磁疇平行排列，強烈地減弱了晶粒邊界處載流子散射，導(dǎo)致了低場磁電阻效應(yīng)。Hwang等8提供了另一種物理解釋，即晶粒間自旋極

8、化隧穿(Spin polarized intergrain tunneling，SPT)。多晶中磁疇基本上與晶粒重合，無外加磁場時，相鄰晶粒邊界間自旋不平行，晶粒邊界間的電子隧穿幾率較小，故呈現(xiàn)高阻態(tài)；加上外加磁場后，與晶粒相聯(lián)系的磁疇平行排列，電子隧穿幾率增加，從而呈現(xiàn)低阻態(tài)。4. 存在的問題與展望用錳氧化物材料做成的磁頭，其存儲的信息密度可達現(xiàn)在存儲密度的20倍，為1500 Mbcm2，即每cm2可存儲15億個數(shù)據(jù)點，完全可與光記錄相媲美。但稀土錳氧化物的發(fā)展和推廣受到以下因素的限制。(1)錳氧化物僅在較低的溫度下才能保持較高的自旋極化率,隨著溫度的上升自旋極化率迅速下降,必須提高高溫甚至

9、是室溫下系統(tǒng)的自旋極化率。(2)多晶系統(tǒng)的低場磁電阻效應(yīng)僅在較低溫度下才較為顯著，室溫附近這一效應(yīng)較弱。雖然通過一些方法可以使得低場磁電阻獲得增強，但離實際應(yīng)用要求尚有差距。仍然需要在尋找新的合成制備方法和新的氧化物體系方面付諸更多努力。(3)錳氧化物多層膜的制備技術(shù)以及與硅集成問題。由于錳氧化物物理性質(zhì)對結(jié)構(gòu)的高度敏感性,穩(wěn)定可控的薄膜制備工藝是深入研究錳氧化物各種性質(zhì)以及自旋隧道結(jié)中自旋輸運的前提,與硅技術(shù)的兼容性是自旋電子學(xué)錳氧化物器件應(yīng)用的基本工藝問題。(4)錳氧化物自旋隧穿的物理機制問題。對這一問題最新的研究工作揭示了半金屬錳氧化物系統(tǒng)的復(fù)雜性和層間界面性質(zhì)的關(guān)鍵作用。沒有對這一問題的深刻認識，錳氧化物磁隧道結(jié)的制備與控制就沒有扎實的物理基礎(chǔ)。在這方面，表面科學(xué)技術(shù)應(yīng)該發(fā)揮更大的作用。(5)新的錳氧化物材料探：泰。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦雙層錳氧化物展現(xiàn)了較ABO3結(jié)構(gòu)更優(yōu)越的磁電阻性質(zhì)，特別是層狀結(jié)構(gòu)和高的居里點。Sr2FeMoO6氧化物也具有較為優(yōu)越的磁電阻特性。但是，由于這類材料制備方面的困難，目前進展不大，需要付諸更多的努力。5.結(jié)語總之,從錳氧化物被重新發(fā)現(xiàn)以來,對這種強關(guān)聯(lián)電子體系的研究取得了巨大進步,但也還存在大量