利用射頻共濺射方法制備了一系列不同金屬含量x的Fex(SiO2)(1?x)金屬?絕緣體顆粒膜，系統地研究了薄膜的霍爾效應及其產生機理。在室溫和1.3 T的磁場下，當體積分數為0.52時，霍爾電阻率有最大值為18.5 μΩ·cm。樣品的電阻率溫度曲線研究表明異常霍爾電阻率可能來源于3d局域電子-電子的散射作用。在300℃以內的不同溫度下將Fe0.52(SiO2)0.48顆粒膜回火，飽和霍爾電阻率隨溫度的變化不大，樣品具有良好的熱穩定性，這表明Fe0.52(SiO2)0.48顆粒膜在300℃下的溫度范圍內有較好的應用前景。
關 鍵 詞 顆粒膜; 磁性; 電阻率; 霍爾效應

半導體的霍爾效應已經被廣泛地應用于各種磁場傳感器領域[1-2]。在普通金屬中，由于載流子濃度較高，導致了霍爾系數比較低。磁性金屬及其合金中的霍爾電阻率遠比普通金屬中的大[3]，主要原因是由于鐵磁性金屬中異常霍爾效應的存在所致，其大小與材料的磁化強度成比例。文獻[4]在對磁性金屬?絕緣體顆粒膜的研究中發現，當磁性顆粒在滲渝閾值(Percolation Threshold)附近時，其異常霍爾電阻率比純磁性金屬的大幾個數量級，稱該現象為巨霍爾效應(Giant Hall Effect, GHE)[4]。與半導體材料相比，在滲渝閾值附近的磁性金屬?絕緣體顆粒膜具有更好的熱穩定性和抗腐蝕性，可能成為制作高靈敏霍爾器件的理想材料。另外，巨霍爾效應的測量為材料磁性的研究提供了較多的重要信息，如載流子類型、濃度、平均自由程等。本文研究了系列不同Fe體積分數x的Fe-Si-O納米顆粒膜的微結構、磁性、輸運性質及霍爾效應。
1 實驗過程
Fe-Si-O顆粒膜采用射頻濺射法制備。靶為高純鐵片和SiO2靶組成的復合靶，薄膜沉積于Kapton襯底上。本底真空優于7×10?4 Pa，濺射Ar氣壓為1.2 Pa。濺射過程中對基底始終通水冷卻。薄膜厚度用光干涉方法測量，膜厚約為0.82 μm。用X-射線能量色散分析儀(EDX)和X-射線光電子譜(XPS)分析了樣品的成份及各元素的含量。樣品的微結構由透射電鏡(TEM)照片和X-射線衍射譜圖確定。薄膜的磁性由振動樣品磁強計(VSM)測得。樣品室溫下的電阻率用傳統的直流四端法測得。利用Ketheley公司生產的一套專用霍爾效應測量系統(主要由納伏表、皮安計、恒流源、程控開關器、霍爾卡和計算機組成)，采用了誤差較小、精度較高的五端法測量了薄膜的霍爾電阻率。
2 結果和討論
圖1所示為體積分數x=0.52的一個典型樣品的X-射線衍射譜圖。由圖可看出，薄膜中的磁性顆粒主要是α-Fe，而Fe2SiO4和γ-Fe2O3雜項很少。由謝樂公式估算出磁性晶粒的平均直徑為16.5 nm。TEM照片也顯示了[5]納米級的Fe顆粒均勻地鑲嵌在SiO2介質中，其顆粒直徑為15.0 nm左右，表明該樣品中一個顆粒只包含一個晶粒。磁性金屬霍爾效應的經驗公式為：
04πxysRBRMρ=+ (1)
式中 ρ xy為霍耳電阻率；R0為正常霍耳系數(Ordinary Hall Coefficient)；Rs為異常霍爾系數(Extraordinary Hall Coefficient)；M為磁化強度。異常霍爾電阻率可用飽和霍爾電阻率的絕對值ρxys來描述。式中第一項為正常霍爾電阻率，主要是由于電子在磁場中的洛淪茲力作用；第二項為異常霍爾電阻率，主要是由于極化的3d電子之間的散射所致[3]。