反常霍尔效应.pptx

一、反常霍尔效应（AHE）
1.1常规霍尔效应
1.2反常霍尔效应(AHE)
1.3AHE的特征
1.4AHE的应用
二、反常霍尔效应的理论研究
2.1Karplus和Luttinger本征机制
2.2Smit的skewscattering理论
2.3Berger的sidejump机制
2.4贝里相位在AHE中的体现
三、AHE实验的研究和进展
3.1pxy∽pxx2
3.2pxy∽pxx
3.3一次方项和二次方项的混合
3.4指数在变化
四、近期在ε-Fe3N纳米晶体薄膜中发现较强的常规霍尔效应（2009年《物理评论》的一篇文章）

1.1常规霍尔效应(ordinaryHalleffect)1.2反常霍尔效应图1霍尔电阻率ρxy与磁场大小的关系曲线示意图
图1给出了横向霍尔电阻率ρxy与磁场大小B的关系曲线。ρxy先随B迅速线性增加,经过一个拐点后线性缓慢增加,直至饱和.显然,这不能简单用磁场的洛伦兹力来解释.因而,通常人们称这种现象为反常霍尔效应(anomalousHalleffect).

1.3反常霍尔效应的特征

（1）通常Rs大于R0至少一个量级以上
（2）强烈地依赖于温度
（3）在铁磁性金属中,即使没有外加磁场B,仅有x方向的电场E时,也会出现横向霍尔电压VH

现在看来，AHE是一种对称破缺的现象，这一点上铁磁材料和非磁材料有很大区别:铁磁材料在没有外加磁场时就有自发时间反演不对称。所以其机理上不一样是正常的，完全一样倒是有些奇怪。1.4反常霍尔效应的应用
二、反常霍尔效应的理论研究2.1Karplus和Luttinger本征机制2.2Smit的skewscattering理论2.3Berger的sidejump机制
1972年，Berger提出了另一个非本征的机制，同样是由于散射中自旋轨道耦合的影响，特定自旋的载流子在经历与杂质散射后其质心位置向某个特定的方向偏移了一点(sidejump)。其示意图如下:

2.4贝里相位在AHE中的体现AHE实验的研究者主要关注与pxy和pxx之间的函数关系。但是不同元素的结论并不一致。
人们讨论实验数据的思路大体上可以分为四类:
(1)pxy∽pxx2
(2)pxy∽pxx
(3)一次方项和二次方项的混合
(4)指数在变化

3.1pxy∽pxx23.2pxy∽pxx（skewscattering的表现）3.3一次方项和二次方项的混合3.4指数在变化文献介绍了不同颗粒尺寸和结构缺陷的ε-Fe3N纳米晶体薄膜样品的结构、磁学和电学特性。
选择材料ε-Fe3N的原因：
1.近年来对氮化铁材料性质的研究很丰富，但是其反常霍尔效应的研究却少之甚少。
2.当颗粒大小在10-300纳米之间时，在10-300K的温度范围内,ε-Fe3N纳米晶体薄膜的饱和磁化强度基本保持稳定.这样由ρxy=R0B+4πRsMs知,ρxys(饱和)将依赖于Rs的变化
3.在不同的膜厚和温度下，ε-Fe3N纳米晶体薄膜的电导率将有较小的变化（150-250μΩcm）样品制备方法：实验者制作了两种ε-Fe3N纳米晶体薄膜
S1：基底温度300oC,颗粒尺寸10nm
S2：基底温度25oC,颗粒尺寸6.5nm
用X射线光电子能谱仪（XPS）分析薄膜成分；
用表面分析仪测得样品薄膜厚度为200nm；
用MPMS测得样品的磁学性质；
用TEM（电子投射显微镜）观测其微观结构
用传统的四探针法测薄膜样品的电阻，五探针法用于霍尔测量。
FIG1是TEM的明视场图样和S1、S2的衍射电子选区。
图中显示了两样品的衍射环。
可以看到S1、S2都是由纳米晶体颗粒组成。
S1的颗粒直径为10nm，而S2颗粒直径约为6.5nm.。与标准衍射图样对比可知，两样品的主要成分都是ε-Fe3N。但是一些衍射光环与γ-Fe2O3一致。这是由于在用胶固定样品（120oC，30min）或者研磨样品时，样品被部分氧化造成的。如FIG3所示，实验测得：
1.S1的饱和磁化强度为1013emu/cc（和已知Fe3N薄膜理论值一致）
2.但是，S2的饱和磁化强度比S1的值小很多（约为791emu/cc）解释：由于S2中存在较多的颗粒边界和非磁性物质，颗粒边界的无序旋转对磁性有较大影响，使其饱和磁化强度较小，而矫顽力较大（Fe3O4和NiFe2O4中也有类似规律）

如FIG4所示：
1.在5-300K之间，ρxx基本不随温度变化（有2%-5%的波动范围）
3.相反，S2的ρxx随温度降低而升高，这和许多非晶材料相似，（有相同颗粒尺寸和非晶形的Fe3N薄膜与其有类似的温度负系数）而非晶材料的ρ与T之间的经验公式为：

上图中系数A=0.999,B=0.013,Δ=126.432,
这与TEM的观测结果一直，由于S2中存在大量的颗粒边界和非晶象，使得