通過磁控濺射方式制備了氮濃度不同的滲碳鐵薄膜，觀察到隨著氮濃度的降低，薄膜的導電機制從金屬到半導體的轉變。霍爾阻值的檢測表明在高內阻區域反常霍爾內阻率與橫向內阻率的標度律為線性，即反常霍爾效應遵守斜散射機制，但相應的反常霍爾濁度率與橫向濁度率的關系不總是線性。關鍵詞斜散射中圖分類號：Ｏ４８４．３文獻標示碼：ＡＤＯＩｊ．ｉｓｓｎ．１００５－０２３Ｘ．２０１５．０８．００４ＡｎｏｍａｌｏｕｓＨａｌｌＥｆｆｅｃｔｏｆＩｒｏｎＮｉｔｒｉｄｅＴｈｉｎＦｉｌｍｓＣＡＯＺｈｉｈｕｉＲＥＮＳｈａｎｌｉｎｇ１，２３ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡｂｓｔｒａｃｔＩｒｏｎｎｉｔｒｉｄｅｔｈｉｎｆｉｌｍｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｎｉｔｒｏｇｅｎｃｏｎｔｅｎｔｗｅｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄｕｓｉｎｇｍａｇｎｅｔｒｏｎｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ．Ｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎｃｏｎｔｅｎｔａｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｏｆｔｒａｎｓｐｏｒｔｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｈｅｆｉｌｍｆｒｏｍｍｅｔａｌｌｉｃｔｏｈｏｐｐｉｎｇｃｏｎ－ｄｕｃｔｉｏｎｗａｓｏｂｓｅｒｖｅｄ．ＨａｌｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｓｃａｌｉｎｇｌａｗｂｅｔｗｅｅｎａｎｏｍａｌｏｕｓＨａｌｌｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙａｎｄｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙｗａｓｌｉｎｅａｒｉｎｔｈｅｄｉｒｔｙｒｅｇｉｍｅｂｕｔｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎａｎｏｍａｌｏｕｓＨａｌｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙａｎｄｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｗａｓｎｏｔａｌｗａｙｓｌｉｎｅａｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｍａｇｎｅｔｒｏｎｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄ國家自然科學基金（５１１７２１１０曹志慧：女，１９８８年生，碩士生，主要從事磁性薄膜的制備和物性研究Ｅ－ｍａｉｌ１０２５４１３７９３＠ｑｑ．ｃｏｍ任山令：通信作者，男，１９７４年生，博士，講師，碩士生導師，主要從事磁性薄膜的電子輸運特點和磁性研究Ｅ－ｍａｉｌ序言早在１８８１年，霍爾（Ｈａｌｌ）首次發覺了鐵磁性材料中的反常霍爾效應。
反常霍爾內阻率定義為：ｘｙ＝Ｒ０是自發磁化硬度，Ｒ０為常規霍爾系Ｒｓ為反常霍爾系數，方程左邊的第一項描述了常規霍爾效應，第二項描述了反常霍爾效應。常規霍爾效應可以由磁場作用于運動電荷的洛倫茲力來解釋，而反常霍爾效應是一種基于載流子軌道耦合的輸運現象。目前認為有３種機制可以解釋反常霍爾效應反常霍爾效應，其中兩種涉及外在機制，即斜散射Ｓｋｅｗｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）理論和邊跳機制（Ｓｉｄｅｊｕｍｐ［１，２］，反常霍爾內阻率ｘｙ（霍爾濁度率σｘｙ）與橫向內阻率ｘｘ（濁度率σｘｘσｘｙσｘｘσｘｙ～ｃｏｎｓｔＢｅｒｒｙｃｕｒｖａｔｕｒｅ）決定了霍爾濁度率，僅和材料的能帶結構相關，其標度律關系同樣遵守式（近來的實驗和理論表明在高內阻區域的標度律關系還存在不一致的觀點。Ｓ．Ｏｎｏｄａ在近來的報導中提出基于少量參雜的多能帶鐵磁性金屬的統一理論，并強調反常霍爾效應可以按照濁度率分為３個區域且滿足不同的標度律關系，覺得在高內阻區域（σｘｘ＜１０。最近，Ｙ．Ｍ．Ｌｕ等提出在纖薄多晶ＦｅＰｔ薄膜中觀察到在二維弱和強定位區域高阻態反常霍爾效應的標度指數為σｘｙｘｘ，覺得電子弱局域化對標度指數起著重要作用。因而本工作選用滲碳鐵薄膜系統研究其反常霍爾效應，滲碳鐵薄膜可通過調節氮濃度來改變薄膜的內阻，便于得到不同阻態的橫向內阻與反常霍爾內阻并對其標度律進行研究。
實驗本實驗采用射頻磁控濺射系統在玻璃基片上沉積Ｆｅ－Ｎ系化合物薄膜，Ｆｅ靶的含量為９９．９９％。濺射前，基片經超聲清洗，真空室基礎浮力為０．８１０－６Ｐａ。濺射過程中，以純乙炔作為濺射二氧化碳，純氫氣作為反應二氧化碳，氮氣與氧氣混和二氧化碳中的流量比從２０１到２０４，濺射浮力為２Ｐａ，濺射材料導報Ｂ：研究篇功率為１００Ｗ，在不同氮濃度條件下制備了４個樣品。通過Ｘ射線衍射儀檢測薄膜的Ｘ射線衍射譜（ＸＲＤ）；磁性檢測采用超導電子干涉儀（ＳＱＵＩＤ）；薄膜長度檢測采用臺階儀；內阻和霍爾內阻采用化學性質檢測系統（ＰＰＭＳ）。在－４～４Ｔ磁場下進行霍爾內阻檢測，氣溫變化范圍為５～３００Ｋ結果剖析２．１Ｆｅ－Ｎ薄膜的ＸＲＤ剖析實驗制備的４個薄膜樣品長度均為３００ｎｍ。不同氮流量時制備出的滲碳鐵薄膜的ＸＲＤ衍射譜如圖１所示，４的ＸＲＤ圖，且氮濃度依次降低。通過與標準的衍射圖譜進行對比可剖析薄膜的組分，隨著氮濃度的降低，薄膜結構發生了明顯的變化。樣品１薄膜中出現了α－Ｆｅ２個衍射峰，表明此時樣品為α－Ｆｅ和γ－Ｆｅ４Ｎ２個物相。樣品２薄膜中不僅２００）衍射峰外，還得到了γ－Ｆｅ４Ｎ１０１）衍射峰，所以此時沉積得到的樣ε－Ｆｅ３Ｎ和γ－Ｆｅ４Ｎ２個物相。
樣品３薄膜的相與樣品２相同，但ε－Ｆｅ３Ｎ２００）的硬度減小。樣品４薄膜中出現了ε－Ｆｅ３Ｎ射峰，此時沉積得到的樣品為ε－Ｆｅ３Ｎ三相。這表明隨著氮濃度的降低，薄膜的結構和組分均發生了變化。）的ＸＲＤ圖Ｆｉｇ．１ＸＲＤｐａｔｔｅｒｎｓｏｆｓａｍｐｌｅ１２．２電子輸運特點歸一化內阻Ｒｘｘ３００Ｋ）與氣溫的關系如圖２所示（插圖是樣品１歸一化內阻與氣溫ｌｎ）的關系）。隨著氮濃度的降低，樣品內阻率（ｘｘ）從３０５ｃｍ，表明氮濃度對內阻率有較大的影響，可作為一個可控參數改變樣品的內阻率。樣品１２在５～３００Ｋ整個氣溫范圍內，其導電機制為金屬特點（ｄＲｘｘｄＴ＞０）。隨著氮濃度的降低，在樣品３４中Ｒｘｘ表現出了半導體特點（ｄＲｘｘ）。圖２的插圖表明樣品１內阻在高溫區出現了最小值，對數擬合表明在高溫區內阻與氣溫的關系為Ｒｘｘ這與電子弱局域化效應有關［７－９］，反映了薄膜結構的無序度較高。在金屬絕緣體轉變區域，影響內阻與氣溫關系有多個誘因，電子磁振子散射和邊跳機制都可能存在，因而機制較為復雜。其阻值體溫的關系可以敘述為：ＣｅｘｐＴ０分別是界面散射、聲子散射、磁子散射和跳躍內阻的貢獻。在精典的內阻理論中，ｐｈ定義為：在低溫時ｎ＝１，在高溫時ｎ＝５。
對于鐵磁性金屬，電子。在基于邊跳機制的理論估算手指出在顆粒膜系統中的內阻＝ＣｅｘｐＴ０因為基于邊界散射的內阻對氣溫的依賴關系很弱反常霍爾效應，在樣品中較弱的阻值氣溫依賴關系可能表明其中基于邊界散射的內阻搶占比較大的比重。這種結果與已有研究觀察到的結果一致［７，１０，１１］３００Ｋ）與濕度的關系Ｆｉｇ．２ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆｎｏｒｍａｌｉｚｅｄｒｅｓｉｓｔａｎｃｅＲｘｘｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓａｍｐｌｅｓ２．３反常霍爾效應本工作進一步剖析了薄膜樣品在不同水溫下外加磁場和反常霍爾內阻Ｒｘｙ的關系，如圖３所示，其中磁場方向垂直于薄膜平面。樣品霍爾內阻率隨氮濃度的降低而減小，室３００Ｋ）下樣品１ｃｍ，與樣品的電２的反常霍爾內阻隨氣溫的上升而上升，樣品３４的反常霍爾內阻隨氣溫的上升而升高。在此基礎上借助標度關系（式（ｘｙ（反常霍爾濁度率σｘｙ）與橫向內阻率ｘｘ（橫向濁度率σｘｘ）的關系進行了剖析與研究。ｘｙ與橫向內阻率ｘｘ的關系圖，因為樣品１２的阻值率相差不大，可在同一個圖中進行擬合。從圖４中可知對于內阻是金屬態的樣品，ｘｙ隨著ｘｘ。
樣品３４的擬合結果同樣為線性關系。σｘｘ滲碳鐵薄膜中反常霍爾效應的研究／曹志慧等出，借助式（）估算得到反常霍爾濁度率σｘｙ和橫向濁度率σｘｘ反常霍爾內阻與氣溫的關系Ｆｉｇ．３ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆｔｈｅａｎｏｍａｌｏｕｓＨａｌｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅＲｘｙｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓａｍｐｌｅｓ反常霍爾內阻率ρｘｙ與橫向內阻率ρｘｘ的關系Ｆｉｇ．４ＡｎｏｍａｌｏｕｓＨａｌｌｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙｖａｌｕｅρｘｙａｓａｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙρｘｘ反常霍爾濁度率σｘｙ與橫向濁度率σｘｘ的關系Ｆｉｇ．５ＡｎｏｍａｌｏｕｓＨａｌｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙσｘｙａｓａｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙσｘｘｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓａｍｐｌｅｓ圖５為樣品的反常霍爾濁度率σｘｙ和橫向濁度率σｘｘ關系圖，對比圖４可知σｘｙ－σｘｘ關系相比ｘｘ關系有所變化。所有樣品ｘｘ的關系均為線性，從圖５看出，樣品１σｘｘ的關系為線性，與ｘｘ關系一致，即：σｘｙσｘｘ