自旋电子学研究进展

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冲等：自旋电子学研究进展
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尺寸一般小于 ! "#， 颗粒之间的距离在 $% "# 以 下， 小于体系中电子的平均自由程。 金属多层膜的 !"# 效应源于电子的自旋相关 散射。从本质上讲， 颗粒膜和多层膜没有什么差 别。电子在颗粒膜中输运时， 将受到磁性颗粒的体 散射和磁性颗粒的界面散射， 其原理示于图 &。目 前纳米颗粒膜的研究主要集中在两大材料体系： ’( 系和 )* 系。 ’( 系有 +,-’(， ).-’(， /0-’(， ).+,’(， /0).-’( 等； )* 系 有： +,-)*， ).-)*， ).+,-)*， /0).-)* 等。目前室温下 ).-’( 颗粒膜的 !"# 值 已达 1%2 ， 但由于纳米颗粒的超顺磁性， 颗粒膜的 饱和磁场超过 $3。这阻止了颗粒 !"# 材料的商 业应用。
#$$"($)(#’ 收稿， #$$"($%("! 收改稿
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摘要： 自旋电子学是上世纪 *$ 年代以来飞速发展起来的新兴学科。与传统的半导体电子器件相比， 自旋电 子器件具有非挥发性、 低功耗和高集成度等优点。电子学、 光学和磁学的融合发展更有望产生出自旋场效应晶 体管、 自旋发光二极管、 自旋共振隧道器件、 调制器、 编码器、 解码器及用于量子计算、 量子通 +,- 频率光学开关、 信等装置的新型器件， 从而触发一场信息技术革命。文中介绍了自旋电子学的若干最新研究进展。 关键词： 自旋电子学；巨磁电阻；稀磁半导体；自旋相关输运 中图分类号： +."$! 文献标识码： / 文章编号： （#$$)） !$$$("’!* $!($$!($0
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$L2 。图 1 是其对应的磁 电 阻 曲 线。与 此 同 时， ［H N $$］ （ /0+, ） 磁隧 等 报 道 的 ).+, C ’?& M1 C ). A..9,=4 道结室温 $"# 高达 &&2 。目前所研究的磁隧道 结分为矫顽力差异型和钉扎型两大类。前面介绍 的是矫顽力差异型磁隧道结， 钉扎型磁隧道结是利 用反铁磁层的交换作用钉扎住一个铁磁层的磁化 强度， 而另一铁磁层的磁化强度可相对自由翻转。 如 O=A" C ).+, C ’?& M1 C ).+, 磁 隧 道 结， 其 室 温 $"#
［K， ;］ 。如 :( 纳米颗粒分散 膜中而形成的多相体系 于 ?@ 基质中而构成的 :(+?@ 颗粒膜。纳米颗粒的
. / ! / ! 金属多层膜的巨磁电阻 巨磁电阻效应首 先是 在 金 属 多 层 膜 中 发 现 的。 !011 年， 23$4$)5 ［!］ 等 用分子束外延 （627） 方法， 制备出 （ 8, 9 :’） ! 多 其磁电阻变化高达 ;=> ， 这 层膜， 发现在 ; / . < 时， 比通常的各向异性磁电阻值 （ ?%$*(&’(#$) 63@%,&(’,+ 大 得 多， 所以称为巨磁电阻 （ B$3%& ?6A ） *$*&3%),， 。图 ! 是 这 种 多 层 膜 的 磁 63@%,&(’,*$*&3%),， B6A） 电阻曲线。这里， 把巨磁电阻变化率定义为： （!） & $8 "#$ % !$ & $ %（ $ ?8 ’ $ 8） 这时候多层膜处 其中 $ ?8是零外磁场时的电阻率， 于反铁磁耦合排列； $ 8 是饱和外磁场时的电阻率， 这时候多层膜处于铁磁耦合排列。 在 （ 8, 9 :’） 多层膜发现了 "#$ 之后， 人们在更 万系 方数据 多多 层 膜 统 发 现 了 "#$ ， 如 （ :( 9 :C ） 系 统、
/0.),1-)：DE?5FG45?HI ?I = 5BJ K?IH?EL?5B J3?H3 KBMBL4EBK IEBBK?LN ?5 F3B !**$I O +3B =KM=5F=6BI 4P F3B IE?5FG45?H KBM?HBI J49LK QB 545M4L=F?L?FN， ?5HGB=IBK K=F= EG4HBII?56 IEBBK， KBHGB=IBK BLBHFG?H E4JBG H45( I9REF?45， =5K ?5HGB=IBK ?5FB6G=F?45 KB5I?F?BI H4RE=GBK J?F3 H45MB5F?45=L IBR?H45K9HF4G BLBHFG45?H KBM?HBI O SF ?I B5M?I?45BK F3=F F3B RBG6?56 4P BLBHFG45?HI， E34F45?HI， =5K R=65BF?HI J?LL 9LF?R=FBLN LB=K F4 5BJ IE?5(Q=IBK （ P?BLK BPPBHF FG=5I?IF4G） ， （ L?63F(BR?FF?56 K?4KB） ， R9LF?P95HF?45=L KBM?HBI I9H3 =I IE?5(T@+ IE?5(U@< IE?5 V+< （GBI45=5F F955BL?56 KBM?HB ） ， 4EF?H=L IJ?FH3BI 4EBG=F?56 =F FBG=3BGF- PGBW9B5HN， R4K9L=F4GI， B5H4KBGI， KB( H4KBGI， =5K W9=5F9R Q?FI P4G W9=5F9R H4RE9F=F?45 =5K H4RR95?H=F?45 =5K 6?MB G?IB F4 = GBM4L9F?45 P4G ?5P4G( R=F?45 FBH354L46N O +3B GBHB5F KBMBL4ERB5F 4P IE?5FG45?HI ?I ?5FG4K9HBK O 2"3 4%,5.：.&*(),%(*-.；6*1() ’16(")%,".*.)1(-"；5*$7)"5 ’16(")*- ."’*-%(57-)%,；.&*(85"&"(8 5"() ),1(.&%,) 99/::：#’$$
巨磁电阻材料
扎型自旋阀一般由反铁磁性钉扎层 ?8、 铁磁性被 钉扎层 86! 、 非磁性隔离层 D6 和铁磁 性 自 由 层 86. 构成。?8 层的作用是通过与 86! 层间交换耦 使得 ?8 9 86! 双层膜的矫顽力 合对 86! 实行钉扎， 较大， 而 86! 与 86. 之间由于有一非磁性金属中 间隔离层， 它们之间的耦合随中间隔离层的厚度 ) 的变化而在铁磁性耦合与反铁磁性耦合之间呈周 期性振荡， 当 ) 很小， 约为几埃时， 为反铁磁性耦 合； 当增加到约 . %F 时， 为弱铁磁性耦合； 再增加， 耦合在弱铁磁性耦合与反铁磁性耦合之间振荡， 振 荡周期与中间隔离层的材料和铁磁层的材料有关。 自旋阀中间隔离层的厚度选取要求使两磁性层耦 合为弱铁磁耦合或无耦合状态。非钉扎型自旋阀 则是直接利用两磁性层的矫顽力的不同， 也称为矫 顽力差异型自旋阀。与钉扎型自旋阀相比， 非钉扎 型自旋阀具有结构和制备工艺简单的优点。 ./ !/ K 纳米颗粒膜的巨磁电阻 纳米颗粒膜 （B’3%C-3’ G$-F） 是指把磁性金属颗粒分散于基质薄
国家自然科学基金资助项目 （0*’$!$$"） # 基金项目：
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（ :(8, 9 :C ） 系 统、 （ D$8, 9 :C ） 系 统、 （ :( 9 ?C ） 系 统、
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言
（D$8, 9 ?@） 系统等。目前发现的多层膜室温 "#$ 值已达到 1E> 。
3*"",? #4(",:.=,;0;:4"<, .> +, C ’?& M1 C +, 4: =..# :,#8,=4:*=,
“磁 隧 道 结 & 6$ 6 @ 磁 隧 道 结 的 巨 磁 电 阻 所 谓 （A4(",:0< 3*"",? B*"<:0.";， ” 是指由 “铁磁金属 A3B） 组成的三明治结构。其产 C 非磁绝缘体 C 铁磁金属” 生的 巨 磁 电 阻 效 应 也 称 隧 磁 电 阻 （ 3*"",? A4(",［!］ 效应。早在二十多年前 B*??0,=, 3AD） :.=,;0;:4"<,， 就研究了这种系统， 并指出其磁电阻效应来源于两 个铁磁层中自旋向上电子和自旋向下电子态密度
电子不仅有质量， 有电荷， 还有两种不同的自 旋状态， 即自旋向上的状态和自旋向下的状态。随 着半导体工业兴起的计算机革命将人们控制电荷 的能力发挥得淋漓尽致， 用于信息处理的集成电 路、 高频和大功率器件是控制半导体中电子电荷的 结果。高容量信息存储器件— — —信息技术领域中 另一个重要分支如硬盘等则是利用了磁性材料中 电子的自旋。信息处理与信息存储可以说分别是 半导体与磁性材料到目前为止最为重要的功能之 一， 但长期以来两者基本上都是独立发展， 虽然有 人尝试结合两者的特性发展新一代的电子器件， 但 无论在基础研究和工业应用上， 磁性材料与半导体 的相互融合一直没有多大进展。但近几年来， 随着 电子器件的进一步小型化与亚微米甚至纳米技术 的发展， 一个跨越半导体和磁性材料的全新研究领 域已成雏形， 这个全新的领域称之为自旋电子学 。目前自旋电子学已 （"#$%&’(%$)* (’ "#$%+,-,)&’(%$)*） 在新材料的制备、 材料结构性质的观察和表征以及 对固体中电子自旋相互作用理论等方面进行了大 量的研究工作。 . / ! / . 自旋阀结构的巨磁电阻 虽然多层膜的 但由于达到 "#$ 最大值的饱和磁场值 "#$ 较大， 也较 高， 例如使 （ :( 9 :C ） ! 多 层 膜 的 "#$ 达 到 其饱和磁场要高达 != HI,， 所以单位磁场的 1E> ， 灵敏度并不高。要解决这个问题， 一方面可寻找饱 和磁场 ( " 低的材料组成， 另一方面有人提出了采
［!］ ［G］ 和 A4,E4F4 等的理 的不对称性。根 据 B*??0,=, 论模型， $"# 可表示为
［.］ 。 用自旋阀 （ "#$% J3-J,） 多层膜结构 自旋阀多层膜有钉扎型和非钉扎型两类。钉
图 ! （8, 9 :’） ! 多层膜 ; / .< 温度下的 B6A 曲线 8$@/ ! （8, 9 :’） B$3%& F3@%,&(’,*$*&3%), (G ! 3& ; / .<
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自旋电子学的相关材料研究
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自旋电子学研究进展
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" 颜 冲!， 于 军# 包大新" 陈文洪" 朱大中! （! 浙江大学信息科学与工程学院信息与电子工程学系， 杭州， "!$$#%） 武汉， （# 华中科技大学电子科学与技术系， &"$$%&） （" 横店集团东磁股份有限公司中央研究所， 浙江， 东阳，
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纳米颗粒膜的自旋相关散射： （ 4）无外加磁场； （ 5） 有外加磁场 （ 4 ） /. 780"-9,8,"9,": ;<4::,=0"( .> (=4"*?4= >0?#： ； 5）’: #4(",:0< >0,?9 #4(",:0< >0,?9（ 图1 +0(6 1 +, C ’?& M1 C +, 磁隧道结的室温 $"#-. 曲线