通过磁控溅射方式制备了氮浓度不同的渗碳铁薄膜，观察到随着氮浓度的降低，薄膜的导电机制从金属到半导体的转变。霍尔阻值的检测表明在高内阻区域反常霍尔内阻率与横向内阻率的标度律为线性，即反常霍尔效应遵守斜散射机制，但相应的反常霍尔浊度率与横向浊度率的关系不总是线性。关键词斜散射中图分类号：Ｏ４８４．３文献标示码：ＡＤＯＩｊ．ｉｓｓｎ．１００５－０２３Ｘ．２０１５．０８．００４ＡｎｏｍａｌｏｕｓＨａｌｌＥｆｆｅｃｔｏｆＩｒｏｎＮｉｔｒｉｄｅＴｈｉｎＦｉｌｍｓＣＡＯＺｈｉｈｕｉＲＥＮＳｈａｎｌｉｎｇ１，２３ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡｂｓｔｒａｃｔＩｒｏｎｎｉｔｒｉｄｅｔｈｉｎｆｉｌｍｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｎｉｔｒｏｇｅｎｃｏｎｔｅｎｔｗｅｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄｕｓｉｎｇｍａｇｎｅｔｒｏｎｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ．Ｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎｃｏｎｔｅｎｔａｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｏｆｔｒａｎｓｐｏｒｔｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｈｅｆｉｌｍｆｒｏｍｍｅｔａｌｌｉｃｔｏｈｏｐｐｉｎｇｃｏｎ－ｄｕｃｔｉｏｎｗａｓｏｂｓｅｒｖｅｄ．ＨａｌｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｓｃａｌｉｎｇｌａｗｂｅｔｗｅｅｎａｎｏｍａｌｏｕｓＨａｌｌｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙａｎｄｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙｗａｓｌｉｎｅａｒｉｎｔｈｅｄｉｒｔｙｒｅｇｉｍｅｂｕｔｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎａｎｏｍａｌｏｕｓＨａｌｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙａｎｄｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｗａｓｎｏｔａｌｗａｙｓｌｉｎｅａｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｍａｇｎｅｔｒｏｎｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄ国家自然科学基金（５１１７２１１０曹志慧：女，１９８８年生，硕士生，主要从事磁性薄膜的制备和物性研究Ｅ－ｍａｉｌ１０２５４１３７９３＠ｑｑ．ｃｏｍ任山令：通信作者，男，１９７４年生，博士，讲师，硕士生导师，主要从事磁性薄膜的电子输运特点和磁性研究Ｅ－ｍａｉｌ序言早在１８８１年，霍尔（Ｈａｌｌ）首次发觉了铁磁性材料中的反常霍尔效应。
反常霍尔内阻率定义为：ｘｙ＝Ｒ０是自发磁化硬度，Ｒ０为常规霍尔系Ｒｓ为反常霍尔系数，方程左边的第一项描述了常规霍尔效应，第二项描述了反常霍尔效应。常规霍尔效应可以由磁场作用于运动电荷的洛伦兹力来解释，而反常霍尔效应是一种基于载流子轨道耦合的输运现象。目前认为有３种机制可以解释反常霍尔效应反常霍尔效应，其中两种涉及外在机制，即斜散射Ｓｋｅｗｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）理论和边跳机制（Ｓｉｄｅｊｕｍｐ［１，２］，反常霍尔内阻率ｘｙ（霍尔浊度率σｘｙ）与横向内阻率ｘｘ（浊度率σｘｘσｘｙσｘｘσｘｙ～ｃｏｎｓｔＢｅｒｒｙｃｕｒｖａｔｕｒｅ）决定了霍尔浊度率，仅和材料的能带结构相关，其标度律关系同样遵守式（近来的实验和理论表明在高内阻区域的标度律关系还存在不一致的观点。Ｓ．Ｏｎｏｄａ在近来的报导中提出基于少量参杂的多能带铁磁性金属的统一理论，并强调反常霍尔效应可以按照浊度率分为３个区域且满足不同的标度律关系，觉得在高内阻区域（σｘｘ＜１０。最近，Ｙ．Ｍ．Ｌｕ等提出在纤薄多晶ＦｅＰｔ薄膜中观察到在二维弱和强定位区域高阻态反常霍尔效应的标度指数为σｘｙｘｘ，觉得电子弱局域化对标度指数起着重要作用。因而本工作选用渗碳铁薄膜系统研究其反常霍尔效应，渗碳铁薄膜可通过调节氮浓度来改变薄膜的内阻，便于得到不同阻态的横向内阻与反常霍尔内阻并对其标度律进行研究。
实验本实验采用射频磁控溅射系统在玻璃基片上沉积Ｆｅ－Ｎ系化合物薄膜，Ｆｅ靶的含量为９９．９９％。溅射前，基片经超声清洗，真空室基础浮力为０．８１０－６Ｐａ。溅射过程中，以纯乙炔作为溅射二氧化碳，纯氢气作为反应二氧化碳，氮气与氧气混和二氧化碳中的流量比从２０１到２０４，溅射浮力为２Ｐａ，溅射材料导报Ｂ：研究篇功率为１００Ｗ，在不同氮浓度条件下制备了４个样品。通过Ｘ射线衍射仪检测薄膜的Ｘ射线衍射谱（ＸＲＤ）；磁性检测采用超导电子干涉仪（ＳＱＵＩＤ）；薄膜长度检测采用台阶仪；内阻和霍尔内阻采用化学性质检测系统（ＰＰＭＳ）。在－４～４Ｔ磁场下进行霍尔内阻检测，气温变化范围为５～３００Ｋ结果剖析２．１Ｆｅ－Ｎ薄膜的ＸＲＤ剖析实验制备的４个薄膜样品长度均为３００ｎｍ。不同氮流量时制备出的渗碳铁薄膜的ＸＲＤ衍射谱如图１所示，４的ＸＲＤ图，且氮浓度依次降低。通过与标准的衍射图谱进行对比可剖析薄膜的组分，随着氮浓度的降低，薄膜结构发生了明显的变化。样品１薄膜中出现了α－Ｆｅ２个衍射峰，表明此时样品为α－Ｆｅ和γ－Ｆｅ４Ｎ２个物相。样品２薄膜中不仅２００）衍射峰外，还得到了γ－Ｆｅ４Ｎ１０１）衍射峰，所以此时沉积得到的样ε－Ｆｅ３Ｎ和γ－Ｆｅ４Ｎ２个物相。
样品３薄膜的相与样品２相同，但ε－Ｆｅ３Ｎ２００）的硬度减小。样品４薄膜中出现了ε－Ｆｅ３Ｎ射峰，此时沉积得到的样品为ε－Ｆｅ３Ｎ三相。这表明随着氮浓度的降低，薄膜的结构和组分均发生了变化。）的ＸＲＤ图Ｆｉｇ．１ＸＲＤｐａｔｔｅｒｎｓｏｆｓａｍｐｌｅ１２．２电子输运特点归一化内阻Ｒｘｘ３００Ｋ）与气温的关系如图２所示（插图是样品１归一化内阻与气温ｌｎ）的关系）。随着氮浓度的降低，样品内阻率（ｘｘ）从３０５ｃｍ，表明氮浓度对内阻率有较大的影响，可作为一个可控参数改变样品的内阻率。样品１２在５～３００Ｋ整个气温范围内，其导电机制为金属特点（ｄＲｘｘｄＴ＞０）。随着氮浓度的降低，在样品３４中Ｒｘｘ表现出了半导体特点（ｄＲｘｘ）。图２的插图表明样品１内阻在高温区出现了最小值，对数拟合表明在高温区内阻与气温的关系为Ｒｘｘ这与电子弱局域化效应有关［７－９］，反映了薄膜结构的无序度较高。在金属绝缘体转变区域，影响内阻与气温关系有多个诱因，电子磁振子散射和边跳机制都可能存在，因而机制较为复杂。其阻值体温的关系可以叙述为：ＣｅｘｐＴ０分别是界面散射、声子散射、磁子散射和跳跃内阻的贡献。在精典的内阻理论中，ｐｈ定义为：在低温时ｎ＝１，在高温时ｎ＝５。
对于铁磁性金属，电子。在基于边跳机制的理论估算手指出在颗粒膜系统中的内阻＝ＣｅｘｐＴ０因为基于边界散射的内阻对气温的依赖关系很弱反常霍尔效应，在样品中较弱的阻值气温依赖关系可能表明其中基于边界散射的内阻抢占比较大的比重。这种结果与已有研究观察到的结果一致［７，１０，１１］３００Ｋ）与湿度的关系Ｆｉｇ．２ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆｎｏｒｍａｌｉｚｅｄｒｅｓｉｓｔａｎｃｅＲｘｘｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓａｍｐｌｅｓ２．３反常霍尔效应本工作进一步剖析了薄膜样品在不同水温下外加磁场和反常霍尔内阻Ｒｘｙ的关系，如图３所示，其中磁场方向垂直于薄膜平面。样品霍尔内阻率随氮浓度的降低而减小，室３００Ｋ）下样品１ｃｍ，与样品的电２的反常霍尔内阻随气温的上升而上升，样品３４的反常霍尔内阻随气温的上升而升高。在此基础上借助标度关系（式（ｘｙ（反常霍尔浊度率σｘｙ）与横向内阻率ｘｘ（横向浊度率σｘｘ）的关系进行了剖析与研究。ｘｙ与横向内阻率ｘｘ的关系图，因为样品１２的阻值率相差不大，可在同一个图中进行拟合。从图４中可知对于内阻是金属态的样品，ｘｙ随着ｘｘ。
样品３４的拟合结果同样为线性关系。σｘｘ渗碳铁薄膜中反常霍尔效应的研究／曹志慧等出，借助式（）估算得到反常霍尔浊度率σｘｙ和横向浊度率σｘｘ反常霍尔内阻与气温的关系Ｆｉｇ．３ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆｔｈｅａｎｏｍａｌｏｕｓＨａｌｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅＲｘｙｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓａｍｐｌｅｓ反常霍尔内阻率ρｘｙ与横向内阻率ρｘｘ的关系Ｆｉｇ．４ＡｎｏｍａｌｏｕｓＨａｌｌｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙｖａｌｕｅρｘｙａｓａｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙρｘｘ反常霍尔浊度率σｘｙ与横向浊度率σｘｘ的关系Ｆｉｇ．５ＡｎｏｍａｌｏｕｓＨａｌｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙσｘｙａｓａｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙσｘｘｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓａｍｐｌｅｓ图５为样品的反常霍尔浊度率σｘｙ和横向浊度率σｘｘ关系图，对比图４可知σｘｙ－σｘｘ关系相比ｘｘ关系有所变化。所有样品ｘｘ的关系均为线性，从图５看出，样品１σｘｘ的关系为线性，与ｘｘ关系一致，即：σｘｙσｘｘ