非均勻半導(dǎo)體的磁輸運(yùn)調(diào)控和優(yōu)化.pdf

1、磁電阻(MR)效應(yīng)自發(fā)現(xiàn)以來(lái)就引起了物理界的廣泛關(guān)注。磁電阻效應(yīng)指的是材料的電阻在磁場(chǎng)下發(fā)生顯著的改變，該效應(yīng)出現(xiàn)在一系列自然或人工制備的材料中。早期備受關(guān)注的磁電阻材料主要有兩大類：一類是人工制備的顆粒復(fù)合體系和磁性多層膜。另一類磁電阻材料為摻雜的鈣欽礦錳氧化物。以上磁電阻材料中，材料電阻均隨外加磁場(chǎng)而變小，被稱為負(fù)磁電阻效應(yīng)，并會(huì)隨磁場(chǎng)的增加而達(dá)到飽和狀態(tài)。最近在非均勻的非磁性半導(dǎo)體材料中，人們發(fā)現(xiàn)在一定的摻雜條件或復(fù)合結(jié)構(gòu)下，會(huì)產(chǎn)

2、生顯著的正磁電阻效應(yīng)。這種特殊的正磁電阻效應(yīng)與以往發(fā)現(xiàn)的磁電阻效應(yīng)不同，也無(wú)法用傳統(tǒng)的磁輸運(yùn)理論解釋，被稱為異常磁電阻效應(yīng)。此類磁電阻效應(yīng)基于非磁性材料，且其行為與非均勻結(jié)構(gòu)的特征密切相關(guān)，因而通過(guò)幾何手段可獲得顯著的磁電阻增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁輸運(yùn)的調(diào)控與優(yōu)化，在應(yīng)用上具有明顯優(yōu)勢(shì)。
　　 從幾何形態(tài)上看，具有磁電阻效應(yīng)的非磁性半導(dǎo)體材料的非均勻性可分為規(guī)則非均勻性與無(wú)規(guī)非均勻性兩類。前者以金屬-半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)為典型代表，已有大量研究

3、分析各種幾何因素對(duì)其磁電阻效應(yīng)的影響，包括復(fù)合比例、幾何形狀、電極位置等因素。然而，對(duì)于以摻雜半導(dǎo)體材料為代表的后者，其非均勻結(jié)構(gòu)的無(wú)規(guī)性導(dǎo)致對(duì)其的理論研究具有相對(duì)較高的難度。在無(wú)規(guī)的前提下，各種幾何因素以何種方式影響體系的磁電阻行為、該影響達(dá)到何種程度等問題尚未明了，是否能以類似于金屬半導(dǎo)體雜化的幾何增強(qiáng)方法來(lái)改善無(wú)規(guī)結(jié)構(gòu)中的磁電阻效應(yīng)也沒有深入的研究。
　　 本文針對(duì)具有無(wú)規(guī)非均勻的非磁性半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)特征，建立了特定的有

4、效介質(zhì)模型。該模型通過(guò)引入組分的顆粒形狀因子，實(shí)現(xiàn)了對(duì)組分形態(tài)及兩相非對(duì)稱性的分析。同時(shí)利用了二維兩相無(wú)規(guī)體系的對(duì)偶性，巧妙地轉(zhuǎn)化了由于顆粒形狀的變化帶來(lái)的計(jì)算困難。新模型的建立使得對(duì)無(wú)規(guī)非均勻體系磁電阻效應(yīng)的研究得以深入，特別是關(guān)于逾滲通道的形成對(duì)磁電阻的影響，在此模型下可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)突破原有模型的限制。我們對(duì)此問題展開了較為全面的研究，主要得到以下兩個(gè)重要結(jié)果：
　　 首先，通過(guò)建立新的有效介質(zhì)模型，揭示了在具有無(wú)規(guī)非均勻性的非磁

5、性半導(dǎo)體中，逾滲通道的形成與磁電阻行為之間的特殊關(guān)聯(lián)。新模型中，通過(guò)設(shè)立顆粒的確定取向，可令兩相的逾滲轉(zhuǎn)變分離。計(jì)算結(jié)果清楚地表明，MR的峰值并不出現(xiàn)在金屬相的逾滲點(diǎn)上，而是和半導(dǎo)體相的逾滲轉(zhuǎn)變相伴出現(xiàn)。這一結(jié)果突破了對(duì)這個(gè)問題的原有認(rèn)識(shí)，為此類材料中磁電阻行為的發(fā)生機(jī)制提供了新的理解。
　　 其次，分析了在無(wú)規(guī)非均勻的非磁性半導(dǎo)體中對(duì)磁電阻增強(qiáng)起主要作用的幾何因素，特別提出了實(shí)現(xiàn)低摻雜條件下的磁電阻增強(qiáng)方案。由于本模型中非對(duì)稱

6、的兩相可具有不同的顆粒形態(tài)，我們可以分別討論兩相幾何參數(shù)對(duì)體系磁電阻效應(yīng)的影響。計(jì)算結(jié)果表明，在無(wú)規(guī)取向的前提下，金屬相的顆粒纖細(xì)化導(dǎo)致MR峰值的略下降，而半導(dǎo)體顆粒的纖細(xì)化導(dǎo)致MR峰值的明顯上升。在固定取向時(shí)，則可以通過(guò)任一種顆粒沿外電場(chǎng)方向的纖細(xì)化增強(qiáng)磁電阻峰值，但半導(dǎo)體相的效果更為強(qiáng)烈。特別的，我們?cè)谛履Ｐ偷幕A(chǔ)上，考察如何在引入少量雜質(zhì)的前提下顯著提高非磁性半導(dǎo)體材料的磁電阻效應(yīng)。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)半導(dǎo)體相與金屬相的顆粒同步纖細(xì)化