磁性多层膜巨磁电阻效应理论

磁性多层膜巨磁电阻效应理论
作者：董燕文亚南梁齐
来源：《科技创新导报》2011年第26期
摘要:简要概述了磁性多层膜结构巨磁电阻效应的现有主要理论。

对唯像理论、Boltzmann 输运方程理论和量子理论的相关工作进行了总结评述。

关键词:磁性多层膜材料巨磁电阻效应理论
中图分类号:O48 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)09(b)-0092-02
巨磁电阻(GMR)材料的电阻可对外磁场产生巨幅响应,在信息存储等领域具有十分重要的应用前景。

自20世纪80年代在(Fe/Cr)N多层膜中发现起,GMR研究便倍受关注,连续膜、颗粒膜等高GMR磁性多层膜结构材料及GMR磁场传感器等器件不断涌现。

同时巨磁电阻效应理论的研究也取得了长足发展,唯像理论、半经典理论和量子理论均相继构建,使多层膜结构材料GMR的众多问题得以分析,为GMR多层膜材料设计提供了理论基础。

本文概要介绍以上理论。

1 唯像基本理论
多层膜结构材料GMR唯像基本理论是后续高级理论的物理基础,在GMR研究中居于十分重要的地位。

该理论基于二流体模型提出,认为多层膜磁层内电子分为自旋向上和自旋向下两类,相邻磁层内磁矩反平行排列。

磁矩对反方向自旋电子的散射作用强于同方向自旋电子,无外场作用时多层膜内电子不能连续穿越两个磁层,体系呈高电阻;外场作用下,体系内磁矩趋向外场方向,导致体系内自旋方向与外场方向相同的电子可以穿越整个体系,引起体系电阻剧烈下降。

该理论要求相邻磁层成反铁磁耦合、单一磁层厚度必须远小于传导电子的平均自由程,同时磁性原子对不同自旋方向电子的散射率必须相差很大。

2 Boltzmann输运方程理论
唯像理论正确指出了外场作用改变体系电子散射行为是GMR起源的基本机制,但只考虑了磁层内部体散射的作用。

Camley等通过对(Fe/Cr)N多层膜的Boltzmann输运方程的计算发现增加体系层数及电子平均自由程同膜厚度比值可增强GMR效应强度,表明界面散射在GMR中起
到重要作用,其机制为界面导致的层间自旋作用势差异。

增加界面粗糙度既可提高层内电流模式(CIP)GMR的强度还能提高(CuFe)1-xCrx体系反巨磁电阻效应(IGMR)出现的可能性。

Johnson等发现多层膜内起散射作用的界面不应是突变的,而应是具有一定厚度的混合界面,且混合层内量子界面效应在GMR效应中可能存在重要作用。

在该结构模型中,CIP模式GMR 的必要条件之一与GMR唯像理论结论一致,要求电子平均自由程大于膜层厚度;垂直电流(CPP)模式GMR在膜层厚度接近电子平均自由程时以指数律下降。

3 量子理论
Boltzmann输运方程理论要求电子在整个体系内具有均匀散射率,该假设与多层膜的实际情况并不相符,此时对体系进行量子理论处理是必须的。

GMR量子理论可分为Kubo线性响应方程和Landau-Buttiker散射机制两类。

前者最早由Levy等提出,他们引入自旋依赖散射势概念,在动量空间计算了随机分布散射体对电子的自旋依赖散射行为,表明当电子平均自由程大于膜层厚度时,CIP模式GMR的电阻器模型有效,进一步确认了外磁场改变电子平均自由程是GMR起源的基本思想。

此后,实空间Kudo方法的分析显示多层膜周期性在GMR产生中并非必须;CIP和CPP模式GMR在尺寸效应上存在差异;CIP模式由于电子散射振幅的重整化,对称模式自旋散射的增加导致非单调GMR,而CPP模式却是单调的,且可简化为在所有尺度上均有效的系列电阻器模型。

Dong采用相同方法考虑体散射、界面散射和表面散射的共同作用,成功重现了多层膜GMR振荡现象,指出次能带和自旋隧道对材料导电性皆有贡献,且Bolzmann输运方程理论同量子理论存在必然联系,得到了实空间Kudo理论的支持。

GMR的Landau-Buttiker散射机制认为导电性同体系导电通道数量成正比,而导电通道数量可由外场调节,CPP模式GMR源于导电通道数量变化,而CIP模式源于界面缺陷对电子的散射。

接触势,体散射和界面散射对GMR皆有贡献,后者又可分为镜面散射和漫散射两种机制,低漫散射率对应高GMR,GMR极限值可由Julliere方程给出。

Landau-Buttiker电子散射机制还可将Boltzmann半经典理论同Kudo量子理论联系起来。

基于此,Rychkov提出的GMR连续随机矩阵理论成功描述了自旋阀的自旋积累和自旋磁矩行为,认为自旋积累同自旋电流梯度成正比,当高极化磁层内自旋电流大于低极化磁层内自旋电流时,自旋磁矩运动形式为波。

4 结语
多层膜巨磁电阻效应的众多特征已能在理论上得到一定程度说明,但仍有许多GMR行为,如界面磁无序和自旋轨道散射在GMR中所起作用,尚未从以上理论中得到解释。

磁隧道结构的提出给GMR理论研究又提出了新挑战,多层膜巨磁电阻效应理论的研究工作仍有待深入进行。

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