Ch2,巨磁电阻(GMR)效应本节内容

薄膜上的量子阱态
铁磁金属薄膜（自旋极化的）量子阱
s－d散射机制
薄膜Cu（100）在fcc Co（100）基底上
自旋极化的 光发射谱 （下左图）
能带结构图 （下右图）
层间耦合的理论
• 计算不同的NM厚度、不同的自旋状态的总能量。 • 比较哪个磁状态有利？ • 总能量→库仑作用→DOS→波函数→非磁层厚度、铁磁层 自旋状态。 • 注意：长程静磁（偶极）耦合！
铁磁FM层之间的耦合能量，随非磁层厚度增加而振荡 振荡周期（波矢）为 （与自由电子气比较） 各种3d、4d金属的结果相近？ 11—12A
反铁磁金属量子阱
60
AFM/NM /AFM 蔡健旺等
NiFe/ FeMn/ Cu / FeMn
Exchange bias (Oe)
50
28A 26A
困难： 反铁磁体的 “磁化特性” 方法： 交换偏置表征 振荡周期： 加倍（21A)
低温电阻率（Spin－flip 散射 0 ）

Mott模型和GMR效应(1)
Mott模型和GMR效应（2）
按Mott模型（看上图） 1，电子自旋与所在层磁矩 相同时， s电子与（Majority）d 电子散射弱， 电子自旋与所在层磁矩 相反时， s电子与（Minority）d 电子散射强。
交换作用
（1）氢分子 三重态或单态←交换作用符号 ←电子云（波函数）的重叠情况←电子波函数性质 （2）RKKY作用 铁磁或反铁磁态←交换作用的振荡 ←f 电子自旋之间，通过s 电子间接交换作用 ← f 电子局域波函数＋ s 电子平面波波函数 振荡周期决定于 s电子Fermi波长
铁磁金属量子阱
FM/NM/FM中， 铁磁层间的振荡耦合
*平均自由程λ （10－30纳米） 自旋弛豫长度Ls（100－500纳米）
巨磁电阻（GMR）பைடு நூலகம்应
Fert （1988） Fe/Cr 超晶格？ Grunberg （1986） 相邻磁矩 反铁磁排列 MBE优质材料
Mott两流体模型 (1)
N.H.Mott,Proc.Roy.Soc. A153,699(1936) 近似：电子与（热激发）自旋波散射可以忽略， （低于居里点） 只考虑电子与磁性离子自旋间的散射。 （s－d散射） 约定：与磁矩同方向的电子处于主要子带（majority） 相反方向自旋电子处于次要子带（minority）
R R
R R
Mott模型和GMR效应（3） 2，如果，平均自由程
R 1 1 R R
1
t （单层厚度）
R
R

R
4
磁电阻比率
R MR

R
R
2
R

R
2
R
2 1
Fe/Cr/Fe
FM层间的振荡耦合――普适现象
Parkin 的贡献
（1990） Co/Ru， 振荡周期 约12埃
Co/Cu“困扰”
FM层间的振荡耦合――直接观察（SEMPA）
Unguiris等 (1991) Fe 单晶/ Cr 尖劈/ Fe薄膜
FM层间的振荡耦合――SMOKE
丘子强等 1992 Fe/Mo/Fe
40
30
20
10
0 10 20 30 40 50
Thickness of Cu spacer (A)
第二次（11月10日）
上一次 的 内容 （1）FM/NM多层膜中， 相邻FM层之间的耦合 随NM层厚度变化→振荡衰减 （2）单层厚度为若干纳米 （3）NM层中电子处于“磁性量子阱”
问题（1）多层膜的磁滞回线？ 答：a，M―H关系： H之下，体系的磁化状态 由总自由能量极小条件确定
1
1 1



R
2
2
其中，
R
R
1
结束
FM层间的振荡耦合――VSM
阎明朗等 1994， NiFe/Mo/NiFe
2，多层膜中，电子的状态
真空中的金属薄膜 行波――平行方向 电子连续谱 E（k// ）=k// 2 驻波――垂直方向 电子分立谱 E (k⊥) 波函数是由包络函数调制的快振荡的 Bloch函数 Bloch函数 的波长 ＝ 2a （a 晶格常数） 包络函数波长由薄膜厚度决定。 （厚度是半波长整数倍）
c，FM排列时， 外场能＋磁晶各向异性能（几个奥） d，反铁磁排列时， 外场能＋磁晶各向异性能（几个奥） ＋层间反铁磁耦合能（几百奥）
问题2 单层膜厚度 t 的限制
金属：t（≈2nm ）《 λ (≈20nm)《 Ls (≈200nm）
MR ( R0 RH ) R0
a，增大分子。需远小于”自旋弛豫长度“。两流体近似。 b，减小分母。需远小于”平均自由程“。弹性散射。
Ch 2， 巨磁电阻（GMR）效应
本节内容 1，振荡的层间耦合（1986） 2，金属量子阱中的自旋极化 3，GMR效应（1988） 重点：Mott的两流体模型
1，层间耦合
问题的提出？ 相邻FM层间的耦合作用与中间NM分隔 层的厚度有关？ 多层膜中的电子的本征状态？
Grunberg (1986） 布里渊散射
电导的自旋相关因子
两流体模型（3）
α测量值：Co和Ni大；Fe较小；Cu为零 I.A.Cammpbell and A.Fert (1982)
Mott两流体模型(4) 计入Spin－flip 散射（热自旋波散射）， 高温电阻率
[ ] 4
两流体模型（2）
散射过程中没有自旋反转 S↑电子未被d ↑（ majority ）电子散射，对电导贡献大 （d ↑在Fermi面没有状态) S↓ 电子 被d ↓(minority )电子散射，对电导贡献小 ( d ↓有效质量太大)
结果：

1