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user: 3. 其它材料体系的正磁阻效应 3.1. 金属颗粒膜 1982年，H. Hoffmann等人在Pt薄膜上发现各向异性的正磁阻效应[ 94 ] ；1984年，R. S. Markiewicz和C. J. Rollins在Pb超薄膜上发现各向异性、与温度相关的正磁阻效应，这种正磁阻效应的产生与电子较强的自旋轨道散射产生的局域效应有关[ 95 ] ；同年Alice E. White等人发现了镁薄膜的正磁阻现象，在0.1~10 K的温度范围内，低场下可以观察到由正磁阻效应向负磁阻效应的转变[ 96 ] 。H. Akinaga等人的研究显示MnSb颗粒膜同样具有巨大的正磁阻效应，当向薄膜提供的电压高于阈值电压时，电流大小会改变1000%，基于这种性质，MnSb颗粒膜可以用来作为磁阻开关的材料[ 97 ] 。对金属颗粒膜的研究显示，普通金属颗粒膜普遍具有正磁阻效应，仅考虑“载流子在磁场中受到洛伦兹力的作用”，来解释金属颗粒膜的正磁阻现象是不够的，还必须考虑所研究物质的特性，以及该物质在磁场下性质的变化，才能很好地解释金属颗粒膜的正磁阻效应。 3.2. 合金 合金中普遍存在正磁阻效应。1980年，Abhijit Mookerjee通过研究自旋玻璃合金AuFe发现，自旋玻璃合金体系AuFe、AuCr、AgCr、AgMn和CuMn都具有正磁阻效应。此外，他们还利用自旋玻璃的Edwards-Anderson模型，配以Boltzmann方程，得到了对自旋玻璃合金的磁阻效应的理论解释，但是不足之处在于，低场下的正磁阻效应无法用该模型解释[ 15 ] ；2009年，J. M. Barandiarán等人在Ni-Mn-Ga和Ni-Fe-Ga赫斯勒合金中，在马氏体转变附近，磁阻值可以达到峰值，这是转变点零场电阻率异常和加场后转变温度变换的综合影响[ 98 ] 。 3.3. 磁性及非磁性半导体 G. Schmidt等人的研究显示，将电子自旋极化电流由稀磁体注入非磁性半导体中，结果会产生一种新颖的正磁阻效应，实验中可以得到25%的正磁阻效应，当非磁性半导体的自旋反转长度足够长时，正磁阻效应理论值可达100% [ 99 ] ；在非磁性 -共轭半导体薄膜中也存在线性正磁阻效应，即使在室温和低场下这种磁阻效应也可以达到10% [ 100 ] 。不仅非磁性半导体具有正磁阻效应，在一些磁性半导体中也可以观察到正磁阻效应，如Mn x Ge 1−x 稀磁性半导体表现出与磁性杂质直接相关的正磁阻效应[ 101 ] ；FeSb 2 是一种窄带系半导体，其磁性性质接近于近磁性质或“Kondo”绝缘体FeSi，由于FeSb 2 的金属化也会出现正巨磁阻效应[ 102 ] 。磁性和非磁性材料的正磁阻性质的研究已得到应用，其中非磁性半导体，如II-IV族半导体，已被成功地应用于半导体组件中[ 103 ] 。M. Foygel通过研究原子的自旋相关散射，来解释磁性半导体在不同条件下产生正磁阻效应和负磁阻效应的原因[ 104 ] ；束缚磁极化子跃迁模型可以用来解释磁性半导体和纳米结构中的巨磁阻效应[ 105 ] ；M. El-Hilo用蒙特卡洛模型可以预测磁性颗粒的磁性与温度和时间的关系[ 106 ] 。 3.4. 半金属 半金属介于金属与非金属之间，在与非金属作用时常作为电子给予体，而在与金属作用时常作为电子接受体，它有两种不同的自旋取向的电子，其中一种自旋取向(取自旋向上)的电子的能带结构呈现金属性，另一种自旋取向(取自旋向下)电子的能带结构呈现绝缘体或半导体，半金属同时具有两种自旋取向电子，具备金属性和非金属性的性质。半金属的费米面附近的传导电子具有高达100%的自旋极化率，因此半金属材料是一种具有极大的应用潜能的自旋电子学材料 [ 107 ] 。 对于半金属的磁阻研究也有许多，Kai Liu等人研究了半金属Bi纳米线的正磁阻效应[ 108 ] ，D. X. Li等对半金属GdX (X = P， As， Sb， Bi)单晶的电子输运特性进行了研究，结果显示，在低温下横向磁阻 ，在10T的磁场下有非常大的正磁阻效应，表1中列出了不同半金属的晶格常数，尼尔温度，剩余磁阻等[ 109 ] 。 拓扑半金属YPtBi也具有非常规的正磁阻效应，这种磁阻效应对样品表面的粗糙度很敏感，这表明表面态是影响磁阻效应的一个重要因素，这种材料也成为拓扑超导体的候选材料之一[ 110 ] 。石墨纳米管束也是一种半金属，它在低温下的电导率 表现出二维的弱局域行为，此时会产生负磁阻效应，而当温度达到60 K时，其磁阻效应为正值，并且其电导率 与温度成近线性关系[ 111 ] 。在高取向的热解石墨中，在T = 4.5 K，H = 8.15 T时，MR = 69400%，这是一个显著的正磁阻效应，而且在很宽的温度范围内发生半金属-绝缘体过渡转变，这种现象与磁场作用直接相关[ 112 ] 。高载流子迁移率的半导体和半金属通常会有正磁阻效应，S. Ishiwata等人发现多层半金属β-CuAgSe表现出显著的正磁阻效应和Shubnikov de Haas振荡，低温下的磁阻随迁移率的增加而增加，掺杂Ni后可以引起材料的化学无序和晶格无序，在一定程度上使得电子迁移率显著提高，高的电子迁移率和化学无序的兼容性与化学非均质相关[ 113 ] 。 半金属材料作为一种新型的自旋电子学材料，有很大的应用前景，但半金属材料的传导电子极化率受表面电子的影响较大，使得传导电子极化率很难被准确测量表征，因此半金属材料在磁阻效应方面还未能得到较好的开发与应用。 3.5. 铁磁材料 铁磁材料一直以来都是材料研究中的一个热点。2000年，N. Manyala等通过对铁磁体的研究发现了由量子干涉效应引发的正磁阻效应；低温下无序增强了电子-电子相互作用，当 时， 合金的零场电阻率 随温度连续增加，并且表现出随着外加磁场的增加， 不仅在 附近增加，在 Table 1 Lattice constant， Neel temperature， residual resistance ratio， carrier concentration， size dimension， preparation method of different semimetal [109 Sample RRR MRR (T = 1.7 K) n (cm -3 ) Size (mm 3 ) Preparing method a GdP 5.709 15.9 8.5 10.0 0.8 3 × 5 × 5 M GdAs 5.864 18.7 5.2 16.7 8 5 × 6 × 8 M GdSb 6.219 23.4 0.7 85.0 125 b 2.1 × 10 20 14 × 15 B GdBi 6.295 25.8 0.6 53.3 23 b 4.2 × 10 20 2 × 2 × 3 B ns-GdP 5.717 14.4 46 2.4 0.25 5 × 5 × 5 M ns-GdAs 5.895 17.2 54 2.1 0.06 6 × 8 × 8 M 表1. 不同半金属的晶格常数，尼尔温度，剩余电阻率，载流子浓度，尺寸大小，制备方法等[ 109 ] 的所有区域都增加的实验现象[ 114 ] 。JavierGuevara [ 115 ] 和M. K. Chattopadhyay [ 116 ] 也观察到了 体系中的正磁阻效应，其中M. K. Chattopadhyay在Fe 0.55 Co 0.45 Si中发现10%的正磁阻效应。A. T. Burkov等人则在 合金中发现巨大的正磁阻效应，无序结构的 合金是由增强泡利顺磁性YCo 2 和铁磁性GdCo 2 组成，该体系在 附近出现非常大的正磁阻效应[ 117 ] 。铁磁性薄膜已在MEMS巨磁阻式高度压力传感器中得到应用[ 118 ] 。 3.6. 稀磁半导体 普通的半导体材料大部分都不具有磁性，如InP、GaN、GaAs、ZnO等，而具有磁性的材料如Fe、Co、Ni等及其化合物则多不具有半导体的性质，它们与半导体材料的表面势垒不能很好地相容。半导体可以通过少量p型或者n型掺杂，从而改变其特性，因此可以通过掺入磁性离子的方法来使半导体获得磁性。在GaAs、GaN、InP、ZnO等半导体中掺杂引入过渡金属(或稀土金属)等磁性离子，由于磁性离子与半导体导带中电子的自旋交换作用(sp-dexchange)以及过渡金属离子之间的自旋交换作用(d-dexchange)，使得这些材料具有磁性。这种通过部分取代非磁性离子而产生的磁性与本征磁性有显著的区别，因此称其为“稀磁”。由磁性离子部分地代替非磁性阳离子所形成的一类新型半导体材料，称之为“稀磁半导体”，具有很多独特的性质和广泛的应用。 Y. Fukuma等人用溅射法将Co掺杂的ZnO薄膜沉积到玻璃衬底上，并在该体系中发现了近线性的低温正磁阻效应[ 119 ] ；Wenjie Liang等人在对Co掺杂的ZnO稀磁半导体纳米线的研究中也发现了正磁阻效应，这种正磁阻效应主要发生在低场下，s-d交换作用引起的导带自旋分裂可能是产生该正磁阻效应的主要原因[ 120 ] ；Qingyu Xu等人研究了由于s-d交换作用产生的正磁阻效应，结果显示正磁阻效应可达到124% [ 121 ] ；Y. F. Tian等人在用分子束外延方法制备的Co掺杂ZnO的外延膜中，同样观察到正磁阻效应，这种效应与电子波函数的收缩有很大的关系[ 122 ] ；在金属掺杂的TiO 2 材料体系中，经Co掺杂后TiO 2 材料可由半导体变为导体，并且在2K温度下呈现出近60%的正磁阻效应，这为TiO 2 功能材料的应用拓展了一个新领域[ 123 ] 。 3.7. 碳材料 金刚石的人工合成、石墨层间化合物的研究、富勒烯及碳纳米管的发现及研究都取得了令人瞩目的进展，关于碳材料的磁阻效应研究也愈来愈受关注。清华大学的章晓中团队研究了金属–碳复合材料的磁阻效应[ 124 ] - [ 127 ] ： 复合材料在高场(3T < B < 8T)下出现与磁场成线性关系的正磁阻效应，这种磁阻效应在8T的磁场下不饱和[ 124 ] ； 复合材料在室温下表现出44.1%的正磁阻效应，该磁阻与磁场的关系可以表示为 ，其中n取决于Ni的浓度和温度[ 125 ] 。他们对于用PLD (pulsed laser deposition)方法制备正巨磁阻效应的铁、钴、镍与碳的复合材料已经申请了专利[ 128 ] -[ 130 ] 。另外，在无序的碳纳米带[ 131 ] 、掺杂的单层碳纳米管[ 132 ] 、碳纳米管[ 133 ] 以及超薄石墨薄片[ 134 ] 等中都观察到了非常大的正磁阻效应。碳材料的应用前景十分诱人，它们有着很优越的性能，如碳纳米管有着特殊的电学性质、优良的力学性能，掺杂的单层碳纳米管有着显著的正磁阻性质等；但要使碳材料的正磁阻效应获得广泛的应用还有很多问题亟待解决，未来还要进行更多的研究。 3.8. 异质结二维电子气 二维电子气是指电子气可以在二维方向自由移动，而在第三维上受到限制的现象，它是许多场效应器件(例如MOSFET、HEMT)工作的基础，二维电子气容易在异质结结构中获得。 掺杂的GaAs/Al x Ga 1-x As异质结，具有变程跃迁的导电机制，在该异质结中包含有单层二维电子气；这个体系在平行磁场中具有正磁阻效应，磁场下二电子的自旋方向将反向，磁场下的自旋排列减少了上Hubbard带的占据数，这是产生正磁阻效应的原因[ 19 ] 。V. Renard等人在AlGaAs/GaAs异质结二维电子气中发现了显著的准经典正磁阻效应，该正磁阻效应 的对应关系，其中α = 0.9~1.2 [ 20 ] ；D. G. Polyakov的理论模型可以定性地解释该实验结果，但该模型很难解释该类磁阻效应的所有细节[ 135 ] 。Scott Dietrich 和Sergey Vitkalov等人通过研究置于弱量化磁场中的含二维电子气的GaAs量子阱，同样观察到了正磁阻效应[ 18 ] ，这种效应可能是由电子在磁场中的量子(周期)性运动引起的[ 136 ] 。人们在含有高密度的二维电子气的Si-MOSFET结构中也发现了正磁阻效应[ 17 ] 。 3.9. 多层膜 Carlos Diaz-Pinto等人用离子注入法在石墨多层膜中掺入硼或碳原子，即引入短程无序，实验结果显示掺杂前的石墨多层膜中可以观察到正磁阻效应，而在掺杂后可以观察到负磁阻效应，离子注入前后磁阻的变化，突出了无序对磁阻的影响[ 137 ] 。J. J. H. M. Schoonus等人在硼掺杂的 Si-SiO 2 -Al结构中发现了高达10000%的正磁阻效应[ 138 ] 。在多层膜LaMn 2 Ge 2 和Fe 3 O 4 /SrTiO 3 /La 0.7 S 0.3 MnO 3 的异质结结构中，同样观察到了正磁阻效应[ 139 ] [ 140 ] 。B. L. Johnson提出了针对Fe/Cr多层膜的杂质产生的自旋相关散射，基于玻尔兹曼输运方程对该体系进行理论计算，若对铁层掺杂带来的散射反对称与Cr层相当，GMR不会急剧减小；若带来的散射反对称与Cr层相反，则GMR会急剧减小，由此可见，中间层掺杂带来的散射中心的数目和类型不同，直接影响磁阻效应的大小[ 141 ] 。 异质结结构多数情况下也是多层膜结构，异质结二维电子气的正磁阻效应在上一部分已做说明，还有其它的异质结结构的磁阻效应也很显著，如ZnO/La 0.7 Sr 0.3 MnO 3 异质结，H = 0.5T时MR = 53.9%，H = 0.3T时MR = 36.4% [ 142 ] 。在GaAs/Al x Ga 1-x As的异质结结构中，观察到与GaAs层中受主杂质密度有关的正磁阻效应[ 143 ] 。在(La 2/3 Ba 1/3 MnO 3 /LaNiO 3 ) 10 超晶格的外延氧化物异质结中也可以观察到正磁阻效应[ 144 ] 。对异质结的正磁阻研究并不仅限于基础理论研究，而且已被投入应用，如多层膜制成MOSFET结构已应用于自旋金属氧化物半导体场效应晶体管[ 145 ] 。