基于氮化铁相结构的输运性质研究

The application of iron nitrides in spintronics is tightly related to its transport properties, for which systematic studies are still lacking. In this project, systematic transport measurements will be carried out for iron nitrides, and the carrier density, mobility and magnetoresistance will be obtained. The influence of the phase structure, nitrogen concentration and magnetization on the transport properties will be extracted in order to understand the magnetic and electronic properties of iron nitrides. Subsequently, the anomalous Hall effect in iron nitrides will be systematically investigated, taking advantage of the fact that the phase structure, as well as the exchange interaction, can be tuned using interstitial N atoms. The relationship between the anomalous Hall effect and the magnetization will be analyzed, which will allow us to elucidate the contributions of exchange splitting and phase structures to the anomalous Hall effect. The results of this project will provide important references for the application of iron nitrides in spintronics.

针对氮化铁的输运性质缺乏系统研究的现状，本项目在实现氮化铁薄膜相结构精确调控的基础上，围绕其输运性质，展开两方面的研究工作：一方面通过载流子浓度、电子迁移率和磁电阻等性质的系统表征，阐明氮化铁的相结构、磁性、氮含量及其分布有序度对电子输运性质的影响规律，为拓展氮化铁在自旋电子器件上的应用提供实验支持；另一方面结合反常霍尔效应的最新研究进展，利用氮化铁多样的铁磁相结构、及其交换作用对氮含量的依赖性来探讨反常霍尔效应的理论机制，揭示交换劈裂和相结构对反常霍尔效应的影响规律，为反常霍尔效应的研究提供新思路。

氮化铁在保护涂层、催化、生物和自旋电子学等领域的应用都需要精确控制其氮含量和相结构。但是相结构和氮含量的精确控制长期困扰着氮化铁的研究工作，极大的限制了其应用。本项目利用磁控溅射技术制备了一系列的氮化铁多晶和外延薄膜，取得了一系列的成果：1. 分别实现了ε-Fe3-xN（0≤x<1）多晶和外延薄膜氮含量的精确调控，阐明了ε-Fe3-xN的氮原子浓度x，磁性和电子输运性质之间的联系；2. 发现了包括氮化铁在内的过渡金属氮化物的结构共性，在此基础上通过精确控制氮含量，在MgO(111)单晶基片上，实现了包括α-Fe(011)、γ′-Fe4N(111)、ε-Fe3-xN(001)（0≤x<1）、ζ-Fe2N(100)和γ′′-FeN(111)外延薄膜相结构的连续调控，获得了它们的磁性和电子输运性质随相结构的变化规律；3. 首次制备出了高结晶质量的γ′′′-FeN(111)相，发现γ′′′-FeN其不但具有双重的金属-绝缘体转变，并且在150 ~ 400 K之间电阻率基本保持为常数。以上研究工作不但为深入认识氮化铁结构相变和物性提供了新的视角，而且对包括氮化铁在内的过渡金属氮化物在薄膜异质结构中的应用具有重要意义。相关研究成果在国际重要学术期刊发表SCI论文9篇，其中2区论文5篇，此外还有部分研究成果处于投稿或撰写过程中。