反应溅射外延半金属Fe3O4薄膜的各向异性和界面耦合

反应溅射外延半金属Fe3O4 薄膜的各向异性和界面耦合

李 鹏 刘晓芬 金 朝 米文博 姜恩永 白海力

(天津大学理学院现代材料物理研究所 天津 300072;天津市低维功能材料物理与制备技术重点实验室 天津 300072)

　　摘要 半金属Fe3O4 具有较高的居里温度(858 K)和理论上100%的自旋极化率，是自旋电子学器件的理想候选材料。近年来Fe3O4 由于其半金属特性而备受关注。我们采用对向靶反应溅射法在MgO、c–Al2O3、SrTiO3、Nb：SrTiO3、ZnO 等基底上制备了外延Fe3O4 薄膜以及外延Fe3O4/ZnO、Fe3O4/Nb：SrTiO3、Fe3O4/BiFeO3 等异质结构，并对其磁各向异性和各向异性磁电阻进行了研究。

　　X射线衍射和断面高分辨透射电镜的结果均表明在单晶基底上用反应溅射法制备的Fe3O4 为具有尖晶石结构的外延薄膜。图1 给出了Fe3O4/MgO 的断面高分辨透射电子显微镜图像。图1 左上角的插图中为Fe3O4/MgO 界面处的电子衍射图，其单晶电子衍射的点阵与X 射线衍射分析的结果相一致。X射线光电子能谱和激光显微拉曼光谱的分析表明样品中不存在与Fe3O4 具有相同晶体结构和相近晶格常数的γ-Fe2O3。

　　在外延Fe3O4 薄膜中观察到了与传统两重轴对称的各向异性磁电阻不同的四重轴对称的各向异性磁电阻，如图2 所示。认为高对称性的各向异性磁电阻与本征生长缺陷反相边界旁的反铁磁耦合和样品的磁晶各向异性密切相关。Fe3O4/BiFeO3 异质外延结构的饱和磁化强度与BiFeO3 薄膜厚度存在反比例变化关系。BiFeO3 薄膜厚度约为22 nm 时，Fe3O4/BiFeO3 异质结的饱和磁化强度值增大了33%，其物理机制是在外加磁场的作用下，Fe2BO4/FeO 界面层处的两相通过轨道重组发生铁磁双交换作用以及Fe 离子磁矩反转为铁磁排列而导致磁矩增强。

　　基金项目：国家自然科学基金项目(50371061;50672064;51072132 & 51272174)