纳米Al-Ni合金的低温电阻特性研究

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Al-Ni合金具有低密度,高熔点,良好的抗氧化性和抗腐蚀性能等优异的性能而被用于电子器件中。随着电子器件的日益小型化,其基本组成结构已达到纳米尺度,在纳米尺寸范围内许多经典的理论将不再适用,纳米材料在力学、电学、磁学、声学等物理方面都与粗晶材料迥然不同。电子器件的电学性能对器件的稳定性具有重要影响,因此研究纳米Al-Ni合金的电阻特性对其在电子电路方面的应用具有重要的作用。在磁电子学中可以通过外加磁场来控制电子的自旋状态而改变材料的电阻率,因此材料中电子自旋状态的改变电阻率有重要影响。磁性材料因为具有未配对的自旋电子导致电阻率与非磁性材料明显不同,研究向非磁性纳米金属中加入磁性纳米金属后,其电子的输运过程具有十分重要的学术研究意义。本文采用自悬浮定向流法和磁控溅射法分别制备纳米Al-Ni合金粉末和Al-Ni合金薄膜,使用SEM,TEM,XRD等表针手段对其晶体结构和形貌进行分析。使用四探针法测量Al、Ni和Al-Ni合金在8-300 K范围内的电阻率随温度的变化规律。研究结果表明:(1)在高温区(100-300 K),电子平均自由程较小,电子主要被晶内声子散射,电子-声子散射对电阻率起主要作用,未烧结和烧结后的纳米晶Al在高温区温度都与电阻率都成正比关系,即?-T。由于电子-晶界/表面散射作用,未烧结的纳米晶Al在低温下(8-40 K)电阻率与温度成T2.5和T4关系,而烧结后的纳米晶Al由于颗粒间接触更紧密,表面散射作用更弱,电阻率与温度成T3和T4关系。(2)由于电子-磁子散射作用,纳米晶Ni在高温区与温度成T1.5关系,与粗晶Ni相同。而在低温区,由于磁子-电子散射和声子-电子散射作用,电阻率与温度成T2和T4关系。(3)纳米晶Ni3Al-Ni在居里温度附近磁性由顺磁性向铁磁性转变,电子自旋方向由紊乱变为一致,电阻率温度系数出现极大值点,纳米Ni3Al-Ni和NiAl-Ni在低温下由于电子-磁子散射作用和声子-电子散射作用电阻率与温度成T2和T4关系。(4)使用磁控溅射方法制备的纳米Al-Ni合金薄膜为非晶薄膜,在一定温度下进行退火,由非晶转变为单一取向的晶体薄膜,其电阻率也由半导体特性向金属特性进行转变。由于近藤效应,Al0.6Ni0.4薄膜的电阻率在55 K出现极小值。
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