正常和反常霍尔效应及相关的测试分析.ppt

AHE的实验研究 在AHE早期实验研究阶段，人们已经意识到横向电阻率 和纵向电阻率 之间的函数关系： 。但是不同的材料得到的两者的关系不尽相同。1967年研究者在Fe中发现两者呈二次关系。这与本征机制和侧跳机制的理论相符。1972年，A.Fert在超纯Ni中观察到了一次方关系，即n=1或 ，与斜散射机制理论相符。随后在Co和Mn5Ge3中发现一次方和二次方的混合结果。总之，反常霍尔电阻率可以表示为 ，其中a和b都是常数。第一项（一次项）源自斜散射机制，而第二项（二次项）源自本征机制或者非本征的侧跳机制。然而，实验上也发现许多材料，如Ni等，其n值随温度变化而变化。 早期AHE的实验研究 * 近期AHE的实验发展 贝里相概念的应用再度掀起AHE研究的热潮，并且催生了许多关于3d过渡金属及其氧化物的AHE新实验。总结近期Fe和Fe3O4研究及其早期相关文献的报道得出结论：按照纵向电导 的大小以及横向电导 对纵向电导 的依赖关系可以划分成三种体系。三个体系分别是(i)高电导体系，对应电导 (1/Ω cm)，(ii)良好金属(a good-metal)体系，对应电导范围 (1/Ω cm)，(iii)坏金属跳跃(a bad metal-hopping)体系，对应 (1/Ω cm)。不同体系下，霍尔电导和纵向电导之间的标度不同，对应于不同的AHE机制，也对应于不同的材料。 * 图1.4 不同实验和理论中纵向电导 与霍尔电导 之间的标度关系 * a.高电导体系 在这种高纯(电导 (1/Ω cm))体系下，霍尔电导主要受斜散射贡献( )的支配，如图1.6所示的高电导（图右侧）区域，这种体系是最少有实验研究的一种。这种体系对实验研究是一种挑战，因为达到饱和磁化强度Ms需要的外加场H会导致一个非常大的正常霍尔效应，而且正常霍尔系数R0接近于反常霍尔系数Rs的数量级。在 ( 为角频率， 为弛豫时间)的条件下，正常霍尔电导可能与外加磁场H无线性关系。尽管由于斜散射机制贡献得到的电导项 随着τ 的增大而增大，但正常霍尔效应项 随着τ的增大而增大，所以导致后者从根本上起到主导作用，而且霍尔电流将不能分解。即使在高电导体系下，反常霍尔电流中并不是总能把由于洛仑兹力引起的正常霍尔电流从中分离，整体的霍尔电流总是正比于纵向电导，这为斜散射机制对电导贡献的存在提供了有力的证据。 * * * * 反常霍尔效应相关实验 * * * * AHE和纵向电阻的测量均采用电阻模式，分别测量不同温度下的 和 曲线。测量输运性质的样品制备过程中在玻璃衬底上覆盖一层mask(如图2.2右侧所示)。采用四端法测量AHE和纵向电阻，须将样品放在专用的电阻或霍尔测量puck上，如图2.2左侧（测试电阻所用的puck）所示，测量AHE所用的puck与其相似。puck上有三个独立的“测试平台”，如图中所标识的1、2、3，也就是可以同时放三个样品进行测量。采用四端法进行测量可以有效地减少焊接点对电阻测量带来的额外误差。如图所示，四个链接点（图中的正方形方框）呈一字排开，两端的两个点（旁边标有+I或-I）用于通入电流，中间两个点（旁边标有+V或-V）用于测量电压，然后利用欧姆定律便可以计算得到样品的电阻，从而得到其电阻率。 * Ni-N薄膜输运性质研究 图1.5 不同氮分压下制备样品的纵向电阻率随温度的变化 随着样品中氮分压的不断增加，纵向电阻率呈逐渐增大趋势，剩余电阻（ 在纵轴的截距值）从5.5 μΩ cm增加到了129.9 μΩ cm，对应的纵向电导由一致性理论中的高电导体系过渡到良好金属体系，如图1.5所示。所有样品的电阻率随着温度的降低而减小（典型的金属性），到低温区域后，电阻率略有随温度降低而增大的趋势，这可能与薄膜样品中的弱局域化效应或者电子间库伦相互作用有关 《Ni-N薄膜和SmCo薄膜的 反常霍尔效应研究 》 * 图1.6 氮分压为0%的样品的横向电阻率在不同温度下随外加磁场的变化 横向电阻率应由两项组成，即 在低场区域，外加磁场从零开始逐渐增大过程中，横向电阻率迅速增大，这主要是由于 的贡献。此过程中样品磁矩转向与外磁场平行