通過(guò)磁控濺射方式制備了氮濃度不同的滲碳鐵薄膜，觀察到隨著氮濃度的降低，薄膜的導(dǎo)電機(jī)制從金屬到半導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變。霍爾阻值的檢測(cè)表明在高內(nèi)阻區(qū)域反常霍爾內(nèi)阻率與橫向內(nèi)阻率的標(biāo)度律為線性，即反常霍爾效應(yīng)遵守斜散射機(jī)制，但相應(yīng)的反常霍爾濁度率與橫向濁度率的關(guān)系不總是線性。關(guān)鍵詞斜散射中圖分類號(hào)：Ｏ４８４．３文獻(xiàn)標(biāo)示碼：ＡＤＯＩｊ．ｉｓｓｎ．１００５－０２３Ｘ．２０１５．０８．００４ＡｎｏｍａｌｏｕｓＨａｌｌＥｆｆｅｃｔｏｆＩｒｏｎＮｉｔｒｉｄｅＴｈｉｎＦｉｌｍｓＣＡＯＺｈｉｈｕｉＲＥＮＳｈａｎｌｉｎｇ１，２３ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡｂｓｔｒａｃｔＩｒｏｎｎｉｔｒｉｄｅｔｈｉｎｆｉｌｍｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｎｉｔｒｏｇｅｎｃｏｎｔｅｎｔｗｅｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄｕｓｉｎｇｍａｇｎｅｔｒｏｎｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ．Ｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎｃｏｎｔｅｎｔａｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｏｆｔｒａｎｓｐｏｒｔｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｈｅｆｉｌｍｆｒｏｍｍｅｔａｌｌｉｃｔｏｈｏｐｐｉｎｇｃｏｎ－ｄｕｃｔｉｏｎｗａｓｏｂｓｅｒｖｅｄ．ＨａｌｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｓｃａｌｉｎｇｌａｗｂｅｔｗｅｅｎａｎｏｍａｌｏｕｓＨａｌｌｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙａｎｄｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙｗａｓｌｉｎｅａｒｉｎｔｈｅｄｉｒｔｙｒｅｇｉｍｅｂｕｔｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎａｎｏｍａｌｏｕｓＨａｌｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙａｎｄｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｗａｓｎｏｔａｌｗａｙｓｌｉｎｅａｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｍａｇｎｅｔｒｏｎｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄ國(guó)家自然科學(xué)基金（５１１７２１１０曹志慧：女，１９８８年生，碩士生，主要從事磁性薄膜的制備和物性研究Ｅ－ｍａｉｌ１０２５４１３７９３＠ｑｑ．ｃｏｍ任山令：通信作者，男，１９７４年生，博士，講師，碩士生導(dǎo)師，主要從事磁性薄膜的電子輸運(yùn)特點(diǎn)和磁性研究Ｅ－ｍａｉｌ序言早在１８８１年，霍爾（Ｈａｌｌ）首次發(fā)覺了鐵磁性材料中的反常霍爾效應(yīng)。
反常霍爾內(nèi)阻率定義為：ｘｙ＝Ｒ０是自發(fā)磁化硬度，Ｒ０為常規(guī)霍爾系Ｒｓ為反常霍爾系數(shù)，方程左邊的第一項(xiàng)描述了常規(guī)霍爾效應(yīng)，第二項(xiàng)描述了反常霍爾效應(yīng)。常規(guī)霍爾效應(yīng)可以由磁場(chǎng)作用于運(yùn)動(dòng)電荷的洛倫茲力來(lái)解釋，而反常霍爾效應(yīng)是一種基于載流子軌道耦合的輸運(yùn)現(xiàn)象。目前認(rèn)為有３種機(jī)制可以解釋反常霍爾效應(yīng)反常霍爾效應(yīng)，其中兩種涉及外在機(jī)制，即斜散射Ｓｋｅｗｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）理論和邊跳機(jī)制（Ｓｉｄｅｊｕｍｐ［１，２］，反常霍爾內(nèi)阻率ｘｙ（霍爾濁度率σｘｙ）與橫向內(nèi)阻率ｘｘ（濁度率σｘｘσｘｙσｘｘσｘｙ～ｃｏｎｓｔＢｅｒｒｙｃｕｒｖａｔｕｒｅ）決定了霍爾濁度率，僅和材料的能帶結(jié)構(gòu)相關(guān)，其標(biāo)度律關(guān)系同樣遵守式（近來(lái)的實(shí)驗(yàn)和理論表明在高內(nèi)阻區(qū)域的標(biāo)度律關(guān)系還存在不一致的觀點(diǎn)。Ｓ．Ｏｎｏｄａ在近來(lái)的報(bào)導(dǎo)中提出基于少量參雜的多能帶鐵磁性金屬的統(tǒng)一理論，并強(qiáng)調(diào)反常霍爾效應(yīng)可以按照濁度率分為３個(gè)區(qū)域且滿足不同的標(biāo)度律關(guān)系，覺得在高內(nèi)阻區(qū)域（σｘｘ＜１０。最近，Ｙ．Ｍ．Ｌｕ等提出在纖薄多晶ＦｅＰｔ薄膜中觀察到在二維弱和強(qiáng)定位區(qū)域高阻態(tài)反常霍爾效應(yīng)的標(biāo)度指數(shù)為σｘｙｘｘ，覺得電子弱局域化對(duì)標(biāo)度指數(shù)起著重要作用。因而本工作選用滲碳鐵薄膜系統(tǒng)研究其反常霍爾效應(yīng)，滲碳鐵薄膜可通過(guò)調(diào)節(jié)氮濃度來(lái)改變薄膜的內(nèi)阻，便于得到不同阻態(tài)的橫向內(nèi)阻與反常霍爾內(nèi)阻并對(duì)其標(biāo)度律進(jìn)行研究。
實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)采用射頻磁控濺射系統(tǒng)在玻璃基片上沉積Ｆｅ－Ｎ系化合物薄膜，Ｆｅ靶的含量為９９．９９％。濺射前，基片經(jīng)超聲清洗，真空室基礎(chǔ)浮力為０．８１０－６Ｐａ。濺射過(guò)程中，以純乙炔作為濺射二氧化碳，純氫氣作為反應(yīng)二氧化碳，氮?dú)馀c氧氣混和二氧化碳中的流量比從２０１到２０４，濺射浮力為２Ｐａ，濺射材料導(dǎo)報(bào)Ｂ：研究篇功率為１００Ｗ，在不同氮濃度條件下制備了４個(gè)樣品。通過(guò)Ｘ射線衍射儀檢測(cè)薄膜的Ｘ射線衍射譜（ＸＲＤ）；磁性檢測(cè)采用超導(dǎo)電子干涉儀（ＳＱＵＩＤ）；薄膜長(zhǎng)度檢測(cè)采用臺(tái)階儀；內(nèi)阻和霍爾內(nèi)阻采用化學(xué)性質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)（ＰＰＭＳ）。在－４～４Ｔ磁場(chǎng)下進(jìn)行霍爾內(nèi)阻檢測(cè)，氣溫變化范圍為５～３００Ｋ結(jié)果剖析２．１Ｆｅ－Ｎ薄膜的ＸＲＤ剖析實(shí)驗(yàn)制備的４個(gè)薄膜樣品長(zhǎng)度均為３００ｎｍ。不同氮流量時(shí)制備出的滲碳鐵薄膜的ＸＲＤ衍射譜如圖１所示，４的ＸＲＤ圖，且氮濃度依次降低。通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)的衍射圖譜進(jìn)行對(duì)比可剖析薄膜的組分，隨著氮濃度的降低，薄膜結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化。樣品１薄膜中出現(xiàn)了α－Ｆｅ２個(gè)衍射峰，表明此時(shí)樣品為α－Ｆｅ和γ－Ｆｅ４Ｎ２個(gè)物相。樣品２薄膜中不僅２００）衍射峰外，還得到了γ－Ｆｅ４Ｎ１０１）衍射峰，所以此時(shí)沉積得到的樣ε－Ｆｅ３Ｎ和γ－Ｆｅ４Ｎ２個(gè)物相。
樣品３薄膜的相與樣品２相同，但ε－Ｆｅ３Ｎ２００）的硬度減小。樣品４薄膜中出現(xiàn)了ε－Ｆｅ３Ｎ射峰，此時(shí)沉積得到的樣品為ε－Ｆｅ３Ｎ三相。這表明隨著氮濃度的降低，薄膜的結(jié)構(gòu)和組分均發(fā)生了變化。）的ＸＲＤ圖Ｆｉｇ．１ＸＲＤｐａｔｔｅｒｎｓｏｆｓａｍｐｌｅ１２．２電子輸運(yùn)特點(diǎn)歸一化內(nèi)阻Ｒｘｘ３００Ｋ）與氣溫的關(guān)系如圖２所示（插圖是樣品１歸一化內(nèi)阻與氣溫ｌｎ）的關(guān)系）。隨著氮濃度的降低，樣品內(nèi)阻率（ｘｘ）從３０５ｃｍ，表明氮濃度對(duì)內(nèi)阻率有較大的影響，可作為一個(gè)可控參數(shù)改變樣品的內(nèi)阻率。樣品１２在５～３００Ｋ整個(gè)氣溫范圍內(nèi)，其導(dǎo)電機(jī)制為金屬特點(diǎn)（ｄＲｘｘｄＴ＞０）。隨著氮濃度的降低，在樣品３４中Ｒｘｘ表現(xiàn)出了半導(dǎo)體特點(diǎn)（ｄＲｘｘ）。圖２的插圖表明樣品１內(nèi)阻在高溫區(qū)出現(xiàn)了最小值，對(duì)數(shù)擬合表明在高溫區(qū)內(nèi)阻與氣溫的關(guān)系為Ｒｘｘ這與電子弱局域化效應(yīng)有關(guān)［７－９］，反映了薄膜結(jié)構(gòu)的無(wú)序度較高。在金屬絕緣體轉(zhuǎn)變區(qū)域，影響內(nèi)阻與氣溫關(guān)系有多個(gè)誘因，電子磁振子散射和邊跳機(jī)制都可能存在，因而機(jī)制較為復(fù)雜。其阻值體溫的關(guān)系可以敘述為：ＣｅｘｐＴ０分別是界面散射、聲子散射、磁子散射和跳躍內(nèi)阻的貢獻(xiàn)。在精典的內(nèi)阻理論中，ｐｈ定義為：在低溫時(shí)ｎ＝１，在高溫時(shí)ｎ＝５。
對(duì)于鐵磁性金屬，電子。在基于邊跳機(jī)制的理論估算手指出在顆粒膜系統(tǒng)中的內(nèi)阻＝ＣｅｘｐＴ０因?yàn)榛谶吔缟⑸涞膬?nèi)阻對(duì)氣溫的依賴關(guān)系很弱反常霍爾效應(yīng)，在樣品中較弱的阻值氣溫依賴關(guān)系可能表明其中基于邊界散射的內(nèi)阻搶占比較大的比重。這種結(jié)果與已有研究觀察到的結(jié)果一致［７，１０，１１］３００Ｋ）與濕度的關(guān)系Ｆｉｇ．２ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆｎｏｒｍａｌｉｚｅｄｒｅｓｉｓｔａｎｃｅＲｘｘｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓａｍｐｌｅｓ２．３反常霍爾效應(yīng)本工作進(jìn)一步剖析了薄膜樣品在不同水溫下外加磁場(chǎng)和反常霍爾內(nèi)阻Ｒｘｙ的關(guān)系，如圖３所示，其中磁場(chǎng)方向垂直于薄膜平面。樣品霍爾內(nèi)阻率隨氮濃度的降低而減小，室３００Ｋ）下樣品１ｃｍ，與樣品的電２的反常霍爾內(nèi)阻隨氣溫的上升而上升，樣品３４的反常霍爾內(nèi)阻隨氣溫的上升而升高。在此基礎(chǔ)上借助標(biāo)度關(guān)系（式（ｘｙ（反常霍爾濁度率σｘｙ）與橫向內(nèi)阻率ｘｘ（橫向濁度率σｘｘ）的關(guān)系進(jìn)行了剖析與研究。ｘｙ與橫向內(nèi)阻率ｘｘ的關(guān)系圖，因?yàn)闃悠罚保驳淖柚德氏嗖畈淮螅稍谕粋€(gè)圖中進(jìn)行擬合。從圖４中可知對(duì)于內(nèi)阻是金屬態(tài)的樣品，ｘｙ隨著ｘｘ。
樣品３４的擬合結(jié)果同樣為線性關(guān)系。σｘｘ滲碳鐵薄膜中反常霍爾效應(yīng)的研究／曹志慧等出，借助式（）估算得到反常霍爾濁度率σｘｙ和橫向濁度率σｘｘ反常霍爾內(nèi)阻與氣溫的關(guān)系Ｆｉｇ．３ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆｔｈｅａｎｏｍａｌｏｕｓＨａｌｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅＲｘｙｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓａｍｐｌｅｓ反常霍爾內(nèi)阻率ρｘｙ與橫向內(nèi)阻率ρｘｘ的關(guān)系Ｆｉｇ．４ＡｎｏｍａｌｏｕｓＨａｌｌｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙｖａｌｕｅρｘｙａｓａｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙρｘｘ反常霍爾濁度率σｘｙ與橫向濁度率σｘｘ的關(guān)系Ｆｉｇ．５ＡｎｏｍａｌｏｕｓＨａｌｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙσｘｙａｓａｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙσｘｘｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓａｍｐｌｅｓ圖５為樣品的反常霍爾濁度率σｘｙ和橫向濁度率σｘｘ關(guān)系圖，對(duì)比圖４可知σｘｙ－σｘｘ關(guān)系相比ｘｘ關(guān)系有所變化。所有樣品ｘｘ的關(guān)系均為線性，從圖５看出，樣品１σｘｘ的關(guān)系為線性，與ｘｘ關(guān)系一致，即：σｘｙσｘｘ