1.3 Электрические свойства и магнитосопротивление гранулированных композитов металл – диэлектрик.

Впервые магнитосопротивление в гранулированных композитах типа металл - диэлектрик было обнаружено еще в 1970 г. В гранулированном материале Ni - Si - О, полученном распылением, было обнаружено незначительное изменение электросопротивления во внешнем магнитномполе. Интерес к подобным материалам вспыхнул вновь в середине 90-х г. в связи с тем, что в ряде гранулированных композитов при комнатной температуре было обнаружено гигантское магнитосопротивление (ГМС), достигающее 8 % в полях 10 кЭ. За последние несколько лет было исследовано достаточно много композитов (Со - Аl - О , Со - Si - О, Fe - Hf - О , Fe - Mg - F, Ni - Si - О ) и уже можно сделать некоторые обобщения.

Удельное электрическое сопротивление (р) гранулированных композитов монотонно возрастает с увеличением доли диэлектрика, причем с изменением этой доли от 0 до 1 сопротивление увеличивается на несколько порядков. В концентрационной области до порога протекания (когда гранулы еще не контактируют друг с другом) изменение сопротивления носит экспоненциальный характер.

Очевидно, что при большой доле металлической фазы (за порогом протекания) гранулы формируют проводящую сплошную сеть и проводимость материала в целом является металлической. Типичные значения удельного электросопротивления в этой области находятся в пределах 10-10³ mkOm-см, а температурная зависимость р невысока, что характерно для кристаллических и аморфных металлических пленок. До порога протекания металлические гранулы изолированы в диэлектрической матрице, р превышает 104 мкОм, а температурный коэффициент электросопротивления отрицателен и характеризуется большими значениями. На рисунке 4 приведена типичная температурная зависимость удельного сопротивления гранулированного композита СО₅₂ А ₁₂₀ O₂₈ .

Рисунок 5 Температурная зависимость удельного электросопротивления в нулевом магнитном поле гранулированных пленок Co₅₂Al₂₀O₂₈.

Такой вид температурной зависимости р подразумевает наличие сложных механизмов электропереноса и логарифмическую зависимость сопротивления от температуры. Теоретически в реальных гранулированных композитах возможны прыжковая проводимость, подобная проводимости в аморфных полупроводниках, проводимость за счет туннелирования электронов между металлическими гранулами и, наконец, полупроводниковая проводимость, реализующаяся в обычных кристаллических полупроводниках . Определение конкретного механизма электропереноса осуществляется на основе анализа экспериментальных данных. Для этого необходимо перестроить температур­ную зависимость сопротивления в координатах, которые позволили бы "спрямить" полученные данные. Известно, что прыжковая проводимость дает зависимость logp ~ T, туннельная--logp ~ T и полупроводниковая--logp ~ T. Спрямление зависимости в каких-нибудь координатах укажет на механизм электропроводности, реализуемый в конкретном материале. В качестве примера на рисунке 5 приведены результаты перестроения зависимости р от Т в указанных координатах. Очевидно, что для данного композита Со - Аl – О доминирует туннельная проводимость, поскольку зависимость спрямляется в координатах logp ~ T.

Рисунок 6 Температурная зависимость удельного электросопротивления (р) в гранулированном композите Co₅₂ Аl₂₀ O₂₈, построенная в координатах logp - Т, logp - T, logp – T^-1

Характерно, что доминирующий механизм проводимости В гранулированных композитах, по всей видимости, определяется типом материала диэлектрической матрицы. В системах Со - Аl - О и Fe – Hf - О действительно доминирует туннелирование, в то время как в Fe - Si0₂ и CoFeB – SiO_n основным механизмом проводимости является прыжковая проводимость, при которой электроны совершают термоактивированные прыжки между локализованными состояниями в аморфном диэлектрике матрицы.

Поскольку именно туннельная про водим ость в гранулированных композитах чрезвычайно важна для понимания природы ГМС, необходимо остановиться на ней более подробно. Впервые зависимость logp от T была предложена Шенгом для описания проводимости в гранулированных средах с учетом туннелирования и термически активированных процессов . Электроны проводимости в системе проводящих гранул, разделенных диэлектрическими барьерами, могут продвигаться через материал, осуществляя незначительный электроперенос посредством туннелирования между гранулами. Туннельная проводимость пропорциональна

, (1.3)

где h - постоянная Планка;

т - эффективная масса электрона;

ф - эффективная высота барьера;

s - ширина барьера.

Рассматривая сопротивление гранулированных композитов, когда размер гранул составляет всего несколько нм, необходимо принимать в расчет изменение заряда гранул, которое происходит при туннелировании электрона из гранулы или в гранулу. Изменение заряда гранулы (нарушение ее электронейтральности) приводит к тому, что ее кулоновская энергия возрастает. Шенг рассмотрел модель, согласно которой электроны, возбужденные увеличением кулоновской энеpгии, могут термически генерироваться настолько, что становится возможным следующий акт туннелирования. Т.е. электроны возбуждаются до такого состояния, что становятся способными преодолеть возросшую кулоновскую энергию гранулы. Вероятность, связанная с этим процессом, пропорциональна кулоновской энергии и температуре. С учетом двух этих процессов электросопротивление может быть записано в виде

(1.4)

где С=(2π/h)(2mф)^1/2sE_c и называется энергией активации туннелирования (Е_с- кулоновская энергия гранулы, возрастающая при туннелировании). В соответствии с современными представлениями магнитосопротивление вгранулированных композитах определяется туннелированием электронов через непроводящий барьер. Если рассмотреть две ферромагнитные гранулы, разделенные диэлектрическим барьером, то перенос электрона из одной гранулы в другую может осуществляться только за счет туннелирования. В такой системе металл - диэлектрик - металл электрон с определенным спиновым состоянием может туннелировать через барьер только в точно такое же спиновое состояние. Вероятность туннелирования электрона в состояние с противоположным спином равна нулю. Это, в свою очередь, означает, что интенсивность туннелирования, а следовательно, и туннельный ток зависят от относительной ориентации магнитных моментов гранул. В том случае, если имеется гранулированный композит снеметаллической проводимостью (гранулы изолированы в матрице) и суперпарамагнитными свойствами (магнитные моменты гранул ориентированы случайным образом), то в отсутствие внешнего магнитного поля туннельный ток низок. Увеличение, магнитного поля приводит к тому, что магнитные моменты гранул становятся параллельными, а следовательно, растет туннельный ток и соответственно проводимость материала.

Величина изменения электросопротивления при приложении магнитного поля зависит от состава композитов. Имеется некоторое соотношение между металлической и диэлектрической фазами, соответствующее максимальному значению магнитосопротивления. Очевидно, что максимум ГМС соответствует такому соотношению фаз, при котором гранулы ей не сформировали сплошную сеть с металлической проводимостью, но ширина барьеров между гранулами - минимальна. Такая структура реализуется в гранулированных материалах вблизи порога протекания.