Φαινόμενα μαγνητο-αντίστασης και μαγνητικές ιδιότητες σε πολυστρωματικά λεπτά φιλμ μαγνητικών υλικών
Authors: Αθανασόπουλος Παναγιώτης 
Published: September 2021

Πραγματοποιήθηκε η πειραματική μελέτη της μαγνητοαντίστασης, του κανονικού φαινομένου Hall, του ανώμαλου φαινομένου Hall, των μαγνητικών ιδιοτήτων και της τοπογραφίας των επιφανειών στα νανοκοκκώδη φιλμ του σύνθετου (composite) υλικού Co(c)Bi(1-c), από μαγνητικό Co και ημιμεταλλικό Bi στην περιοχή συγκεντρώσεων: 0 ≤ ≤ 0.8. Ο χαρακτηρισμός των δειγμάτων μεπερίθλαση ακτίνων-Χ και ηλεκτρονική μικροσκοπία αποκαλύπτουν: (α) μια συστηματική μεταβολή της νανοκοκκώδους υφής με την μεταβολή της συγκέντρωσης-c του Co και (β) ότι το Co και το Bi δεν αναμειγνύονται μεταξύ τους για σχηματισμό κραμάτων. Η μελέτη των γαλβανομαγνητικών φαινομένων σαν συνάρτηση της συγκέντρωσης-c του Co έδειξε ότι υπάρχουν δύο περιοχέςδιαφορετικών μηχανισμών αγωγιμότητας όπου εμφανίζεται το φαινόμενο του percolation για 0 ≤ ≤ 0.3, ενώ για > 0.33 οι ιδιότητες μαγνητοαγωγιμότητας μπορούν να αναλυθούν ως τη συνέλιξη, και όχι την υπέρθεση, της συνεισφοράς του ημιμετάλλου-Bi και της μεταλλικής συνεισφοράς του Co. Η μεταβολή της συγκέντρωσης-c οδηγεί το σύνθετο σύστημα Co(c)Bi(1-c) σε σταδιακή μετάβασηαπό τύπου-p (επικράτηση οπών) σε τύπου-n (επικράτηση ηλεκτρονίων) αγωγιμότητα, όπου η μεταβολή της αντίστασης Hall, ρH, σαν συνάρτηση του εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου εμφανίζει μια μετάβαση από θετική σε αρνητική κλίση στα μεγάλα πεδία (Β≥3Τ). H μεταβολή του συντελεστή Hall, RH=ρΗ/Β, σαν συνάρτηση της συγκέντρωσης-c του Co ακολουθεί, για 0 ≤ ≤ 0.3 και μεταξύ των θερμοκρασιών5 ≤ ≤ 250, την αναμενόμενη κλιμάκωση: ~| − |, τουφαινομένου percolation, με τιμή κατωφλίου τη συγκέντρωση ≈ 0.3. Στα νανο-κοκκώδη φιλμ Bi(15nm) και Bi(50nm) η μεταβολή της ειδικής αντίστασης (, = 0) σαν συνάρτηση της θερμοκρασίας-Τ, εμφανίζει 2 διαφορετικές κλίσεις του θερμικού συντελεστή αντίστασης: =, όπου και οι 2 συντελεστές TCR εμφανίζουν αρνητικό πρόσημο εκατέρωθεν της Τ≈250Κ. Ηθερμοκρασιακή εξάρτηση της (, = 0) στην περιοχή 5 ≤ ≤ 300 ακολουθεί εκθετική συμπεριφορά: ~−(), αποκαλύπτοντας ότι είναι η θερμοκρασιακή εξάρτηση του μήκους συνάφειας ~− των φορέων αγωγιμότητας του Bi που προκαλεί αυτή τη συμπεριφορά. Στο σύνθετο σύστημα Co(c)Bi(1-c) η (, = 0) οι 2 διαφορετικές κλίσεις του TCR εξακολουθούν να υπάρχουν εκατέρωθεν της Τ≈250Κ για όλες τις συγκεντρώσεις-c του Co. Αυτό δείχνει ότι η ίδιαθερμική ενέργεια: = (250) ≈ 15, προκαλεί τη δραστική ελάττωση της (, = 0) για Τ>250Κ. Όμως η συγκριτική ανάλυση της θερμοκρασιακής εξάρτησης της (, = 0) μεταξύ των φιλμ Co(c)Bi(1-c) αποκαλύπτει ότι αυτή δεν αποτελεί την υπέρθεση των συνεισφορών από τις επιμέρους αντιστάσεις του Bi και Co: (, = 0) ≠ () + (). Οι μετρήσεις της αντίστασης Hall στα φιλμ του Bi (c=0), αποκαλύπτουν 2 διαφορετικές θετικές κλίσεις, +, στις ισόθερμες καμπύλες ρΗ(Β) εκατέρωθεν του πεδίου Β≈3Τ, που αντιστοιχούν σε 2 διαφορετικούς συντελεστές Hall, RH. Ένας για Β<3Τ που μπορεί να οφείλεται στις επιφανειακές καταστάσεις των κόκκων Bi, , και ένας δεύτερος για Β>3Τ που αποδίδεται στο εσωτερικό των κόκκων Bi, , όπου ( ) > ( ). Αυξάνοντας την θερμοκρασία από 5Κ προς τα 250 Κ, η σχετική συνεισφορά του όρου ελαττώνεται προοδευτικά και εξαφανίζεται για Τ>250Κ. Θεωρώντας ότι οι επιφανειακές καταστάσεις στους κόκκους Bi μπορεί να εμφανίζονται ως ενδιάμεσες ενεργειακές στάθμες στο ενεργειακό χάσμα ~27 που βρίσκεται στο σημείο συμμετρίας-L της ζώνηςBrillouin του Bi, τότε η θερμική ενέργεια: (250) ≈ 15 ≈ ⁄2, προκαλεί την θερμική διέγερση των ηλεκτρονίων από τις επιφανειακές καταστάσεις στην ζώνηαγωγιμότητας των ηλεκτρονίων. Έτσι η κατανομή Fermi-Dirac των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας στην ενέργεια Fermi φαίνεται ότι προσεγγίζει την κατανομή Maxwell για Τ>250Κ, οπότε η θερμική διέγερση από τις επιφανειακές καταστάσεις στην ζώνη αγωγιμότητας προκαλεί αύξηση του πληθυσμού των φορέων στο κανάλι αγωγιμότητας του Bi και ελάττωση της (, = 0), κάνοντας αμελητέα την συνεισφορά της . Οι ισόθερμες καμπύλες ρΗ(Β) που μετρήθηκαν σε όλα τα φιλμ του σύνθετου υλικού Co(c)Bi(1-c) εμφανίζουν τα ίδια χαρακτηριστικά με τις καμπύλες πουπαρατηρούνται και σε υλικά που εμφανίζουν το τοπολογικό φαινόμενο Hall (ΤΗΕ). Βρέθηκε ότι για να ικανοποιείται η γνωστή σχέση κλιμάκωσης: = + 2, μεταξύ της αντίστασης του ανώμαλου φαινόμενου Hall (ΑΗΕ), = , και της ( = 0) πρέπει πρώτα και οι 2 αυτές αντιστάσεις να κανονικοποιηθούν σε κάθε θερμοκρασία στις αντίστοιχες τιμές των αντιστάσεων του νανο-κοκκώδους φιλμ Bi(15nm). Αυτό αποδεικνύει ότι σε κάθε φιλμ η (, = 0) και η () είναι αποτέλεσμα της συνέλιξης μιας συνάρτησης F(T,L) με την αντίστοιχη αντίσταση () και , () του Bi. Οι ισόθερμες καμπύλες μαγνητοαντίστασης MR(Β) που μετρήθηκαν σε όλα τα φιλμ του σύνθετου υλικού Co(c)Bi(1-c) εμφανίζουν μια σχέση κλιμάκωσης μεταξύ τους σαν συνάρτηση της θερμοκρασίας-Τ για καθένα φιλμ, όταν προηγουμένως έχει αφαιρεθεί η ισόθερμη καμπύλη () στην αντίστοιχη-Τ του νανο-κοκκώδους φιλμ Bi(15nm). Η ανάλυση αυτών των φαινομένων κλιμάκωσης έδειξε ότι ο κάθε συντελεστής κλιμάκωσης, που βρέθηκε για κάθε μια τιμή της συγκέντρωσης-c του Co, εξαρτάται από την στατιστική κατανομή του μεγέθους των κόκκων σε καθένα φιλμ. Το κύριο αποτέλεσμα, που έχει και τεχνολογική σημασία, είναι ότι παρατηρήθηκε το γιγαντιαίο φαινόμενο Hall (GHE) στα φιλμ του σύνθετου υλικού Co(c)Bi(1-c) ακόμη και για την συγκέντρωση-c=0.8, που βρίσκεται στην περιοχή της μεταλλικής αγωγιμότητας και μακριά από την περιοχή του percolation όπου είχε παρατηρηθεί ως τώρα το GHE σε άλλα νανο-κοκκώδη σύνθετα υλικά από μαγνητικό μέταλλο-μετάβασης σε μήτρα μονωτικού οξειδίου. Έτσι προκύπτει ότι μπορεί να σχεδιαστούν σύνθετα υλικά από Co(c)Bi(1-c) με την επιθυμητή τιμή του GHE μεταβάλλοντας μόνον την μικροδομή (την κατανομή του μεγέθους των νανο-κόκκων του Co και Bi) του φιλμ.