楊 潔, 蘇寧寧, 彭 剛

(1. 空軍航空大學(xué) 基礎(chǔ)部, 長(zhǎng)春130022; 2. 吉林大學(xué) 超硬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長(zhǎng)春 130012)

當(dāng)壓力約為25 GPa(室溫下)時(shí), Fe3O4由反尖晶石結(jié)構(gòu)發(fā)生相變; 當(dāng)壓力為60 GPa時(shí), Fe3O4變?yōu)楦邏合?h-Fe3O4)[8-12]. 當(dāng)壓力為7～15 GPa時(shí), Fe3O4的電導(dǎo)率、 X光能量損失譜及拉曼光譜出現(xiàn)反常. 這是由于三價(jià)鐵離子位置轉(zhuǎn)移所致[13-15], 或由于八面體中Fe2+由高速自旋變?yōu)楦€(wěn)定的自旋速度所致[16]. 當(dāng)壓力為5～7 GPa時(shí), Fe3O4的熱電能和電阻率存在反?，F(xiàn)象[17]. 本文利用高壓原位電學(xué)測(cè)量方法, 測(cè)量并研究Fe3O4粉末的電阻率隨壓力變化及磁阻隨磁場(chǎng)和壓力的變化, 分析Fe3O4電學(xué)性質(zhì)異常變化的原因.

1 實(shí) 驗(yàn)

Fe3O4粉末樣品的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.9%. 采用壓砧直徑為400 μm的金剛石對(duì)頂砧壓機(jī)(DAC)測(cè)量樣品電阻率. 利用離子束磁控濺射在DAC的金剛石壓砧上濺射一層厚度為300 nm的鉬膜. 將鉬膜光刻成四探針電極構(gòu)型, 并在其上濺射沉積厚度為2 μm的氧化鋁薄層作為絕緣層和保護(hù)層.

為使樣品和光刻后的鉬膜接觸, 先用磷酸溶液水浴加熱腐蝕掉位于壓砧中心區(qū)域的氧化鋁層, 形成一個(gè)邊長(zhǎng)為80 μm的金屬薄膜區(qū); 再用導(dǎo)電銀漿在光刻后的鉬膜部分粘貼一根細(xì)銅線(xiàn)作為電流和電壓的測(cè)量端[18]. 為使樣品區(qū)域的磁場(chǎng)不受DAC影響, 采用BeCu合金的四柱式無(wú)磁壓機(jī)測(cè)量磁阻率, 均勻磁場(chǎng)由霍爾測(cè)量系統(tǒng)的電磁鐵產(chǎn)生, 并通過(guò)2個(gè)直徑為76 mm的磁頭導(dǎo)出, 磁頭的間距越小, 且電流越大時(shí), 磁頭間的磁場(chǎng)強(qiáng)度越大. 將厚度為200 μm的金屬錸片作為墊片材料預(yù)壓至50 μm, 在壓痕中心利用火花放電打一個(gè)直徑約為100 μm的小孔作為樣品倉(cāng), 并在已打孔的封墊上濺射2 μm厚的氧化鋁膜絕緣. 將直徑約為5 μm的紅寶石晶體顆粒用于壓標(biāo)物質(zhì)原位探測(cè)實(shí)驗(yàn)壓力. 為精確測(cè)量電阻率, 實(shí)驗(yàn)中未使用傳壓介質(zhì). 采用伏安法測(cè)量樣品的磁電阻率, 對(duì)樣品施加1 mA電流, 測(cè)量其兩端電壓, 通過(guò)R=V/I計(jì)算電阻值. 由于DAC裝置在霍爾測(cè)量系統(tǒng)中的2個(gè)磁頭間距為8 cm, 因此磁場(chǎng)強(qiáng)度變小, 不利于測(cè)量磁阻率. 本文將金剛石壓砧的底座換為鐵磁鋼質(zhì)材料, 通過(guò)其聚磁作用, 使樣品處的最大磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到2.8 A/m, 且磁場(chǎng)均勻分布在以樣品為中心、 半徑為5 mm的范圍內(nèi), 滿(mǎn)足了高壓下微小樣品磁阻探測(cè)的需求.

將DAC置于2個(gè)磁頭間, 在垂直于電流方向施加磁場(chǎng)強(qiáng)度0～1.5 A/m, 用高斯計(jì)探頭測(cè)量壓機(jī)內(nèi)部的磁場(chǎng)分布, 并測(cè)量直流數(shù)據(jù). 磁阻率可由MR=[ρ(H,T)-ρ(0,T)]/ρ(0,T)計(jì)算求得, 其中: MR表示磁電阻(率);ρ(H,T)表示磁場(chǎng)強(qiáng)度為H、 溫度為T(mén)時(shí)材料的電阻率;ρ(0,T)表示無(wú)外加磁場(chǎng)、 溫度為T(mén)時(shí)材料的電阻率, 本文T為室溫.

2 結(jié)果與討論

圖1 室溫下Fe3O4電阻率隨壓力的變化關(guān)系Fig.1 Relationship of resistivity of Fe3O4 vs pressure at room temperature

2.1 室溫下電阻率隨壓力的變化 室溫下Fe3O4電阻率隨壓力的變化關(guān)系如圖1所示. 由圖1可見(jiàn), 在加壓過(guò)程 中, 樣品的電阻率未發(fā)生突變, 表明在本文的壓力范圍內(nèi)Fe3O4未發(fā)生結(jié)構(gòu)相變, 與文獻(xiàn)[4-8]報(bào)道的結(jié)果相符. 當(dāng)壓力為0～6 GPa時(shí), 電阻率隨壓力的增大減小較快, 當(dāng)壓力大于6 GPa時(shí), 電阻率隨壓力的增大減小較慢.

2.2 室溫下電阻率隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化 室溫下Fe3O4的電阻率在不同壓力下與磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化關(guān)系如圖2所示. 由圖2可見(jiàn), 當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為0～1.5 A/m時(shí), 電阻率隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大. 當(dāng)壓力大于6 GPa時(shí), 電阻率隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而逐漸減小. 在誤差范圍內(nèi), 加壓過(guò)程中的電阻率值不隨磁場(chǎng)方向的改變而變化, 表明電阻率僅與磁場(chǎng)大小有關(guān), 而與方向無(wú)關(guān).

2.3 室溫下磁阻率隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化 室溫下Fe3O4的磁阻率在不同壓力下與磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化關(guān)系如圖3所示. 由圖3可見(jiàn): 當(dāng)壓力小于6 GPa時(shí), 磁阻率大于零且在0～1.5 A/m內(nèi)隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增加; 當(dāng)壓力大于6 GPa時(shí), 磁阻率小于零且在0～1.5 A/m內(nèi)隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而減小. 在誤差范圍內(nèi), 加壓過(guò)程中的磁阻率在正負(fù)磁場(chǎng)中呈對(duì)稱(chēng)關(guān)系, 表明磁阻率僅與磁場(chǎng)的大小有關(guān), 而與方向無(wú)關(guān).

圖2 不同壓力下Fe3O4電阻率隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化關(guān)系Fig.2 Relationship of magnetic field vs resistivity of Fe3O4 at different pressures

圖3 不同壓力下Fe3O4磁阻率隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化關(guān)系Fig.3 Relationship of magnetic field vs magnetoresistance of Fe3O4

圖4 Fe3O4磁阻率與壓力的變化關(guān)系Fig.4 Relationship of magnetoresistance vs pressure

當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為1.5 A/m時(shí), Fe3O4磁阻率與壓力的變化關(guān)系如圖4所示. 由圖4可見(jiàn): 當(dāng)壓力小于6 GPa時(shí), 磁 阻率為正, 且隨壓力的增大而逐漸減小; 當(dāng)壓力大于6 GPa時(shí), 磁阻率為負(fù), 且隨壓力的增大其絕對(duì)值增大; 在10～14 GPa時(shí), 磁阻率為負(fù)且出現(xiàn)小范圍波動(dòng), 與電阻率的測(cè)量結(jié)果相符.

當(dāng)壓力小于6 GPa時(shí), 磁阻率大于零, 為正常磁電阻效應(yīng). 這是由于載流子在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力而改變運(yùn)動(dòng)軌跡, 導(dǎo)致電阻增加, 隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大, 所受洛倫茲力增大, 使其有效平均自由程減小, 因此磁阻率隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大. 當(dāng)壓力大于6 GPa時(shí), 磁阻率小于零, 為負(fù)磁電阻效應(yīng), 表明Fe3O4的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變. 由于負(fù)磁電阻效應(yīng)與自旋有關(guān), 因此該變化來(lái)自于八面體位置上Fe2+的自旋變化, 即由高速自旋變?yōu)楦€(wěn)定的自旋速度所致, 而非價(jià)位轉(zhuǎn)移即由反尖晶石結(jié)構(gòu)變?yōu)榧饩Y(jié)構(gòu)所致.

綜上, 本文測(cè)量了Fe3O4粉末的電阻率和磁阻率隨壓力的變化關(guān)系. 結(jié)果表明: 當(dāng)壓力大于或小于6 GPa時(shí), 電阻率均隨壓力的增加而減小, 但減小速率不同; 當(dāng)壓力小于6 GPa時(shí), Fe3O4粉末呈正的磁電阻效應(yīng), 當(dāng)壓力大于6 GPa時(shí), Fe3O4粉末呈負(fù)的磁電阻效應(yīng), 表明壓力導(dǎo)致Fe3O4粉末中Fe2+的自旋取向發(fā)生變化.

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