自旋电子学研究进展磁学会议

2019年 Miyazaki
在Fe/Al2O3/Fe三明治结构，在室温下有15.6％的磁隧道 电导变化，磁场灵敏度为8％/Oe。
J.Magn.Magn.Mater.139(2019)L231----151(2019)403
FBiblioteka Baidu Fe
↑↓
↑↓
↑↑
↑↑
↑↑
Al2O3
Fe/Cr/Fe电阻隧磁场变化
↓↓
↓↑ ↓↑
↑↓ 电阻大
自旋极化度 N N P N N
TMR 2P1P2 1 P1P2
N↑和N↓分别表示在费密面自旋向上和向下的电子数。
自旋电子现象研究进程
二、巨磁电阻GMR
1986年 Grunberg Fe/Cr/Fe 三明治结构中Cr适当厚度产生反 铁磁耦合
《纳米尺度的效应》
Fe Cr Fe
Fe Cr∼1nm Fe
预计不久到 1000 Gbit/in2,最终可能到 50 Tbit/in2 (100nm65Gbit/in2)
GMR隔离器 原理与实物
2000年引入，目前速 度为光隔离器的10倍， 最终100倍
Courtesy of NVE
The World of Magnetic Sensors
罗盘
Compassing
↓↓
Fe Al2O3
Fe
Fe/Cr/Fe磁滞回线
2000年 TMR达到50％ (Al2O3为0.8nm)
制备态和热处理后
制备态
Ta(5nm) Ni79Fe21(20nm) Co75Fe25(4nm) Al2O3(0.8nm) Co75Fe25(4nm) IrMn(10nm)
Ni79Fe21(3nm) Cu(20nm) Ni79Fe21(3nm)
∆R/R=15％ ( >10％ )
GMR的部分应用
•硬盘读出磁头 •GMR隔离器 •传感器
•GMR-type MRAM
(Honeywell公司曾制作出1Mb的MRAM, 估计军方是唯一用户)
反铁磁层 铁磁层 1 非磁性层 铁磁层 2
硬磁盘读出头的发展
2019年 ~170Gbit/in2
2000 100
(Fe/Cr)n的R/R0磁电阻随周期数n的增加而增大
↑↓
∆R/R(％)随Cr厚度变化的振荡关系
↑↓
↑↑ ↑↓
↑↑ ↑↓
↑↑
饱和磁场随Cr层厚度变化的振荡关系 Parkin.et al.Phys.Rev.Lett.64(1990)2304
1990年 1991年
Shinjo Dieny
GMR自旋阀
两种不同矫顽力铁磁层的自旋阀结构
三、隧道磁电阻TMR
1975年 Julliere 1982年 Maekawa等
在Fe/Ge/Co中发现两铁磁层中磁化平行和反 平行 的电导变化在4.2K为14％。Phys.Lett.54A(1975)225
在Ni/NiO/Ni，(Fe、Co)等发现磁隧道电阻效应
IEEE Trans.Magn.18(1982)707
自旋电子学研究进展磁学会议
•
电子自旋极化度
当电子通过铁磁金属时，电子由简并态，变成
向上(+1/2)和向下(-1/2)的非简并态，极化度表示为
自旋极化度 N N P N N
N↑和N↓分别表示在费密面自旋向上和向下的电子数。
实验结果：
材料
Ni Co Fe Ni80Fe20 Co50Fe50 Co84Fe16
Ta(5nm)
Si
TMR=22%
退火态
TMR=50%
77K和4.2K
X.F.Han et all.Jpn.J.Appl.Phys.39(2000) L441.
各向异性的磁隧道电阻
单晶MgO做底层，相邻铁形成单晶的 TMR
CIP
CPP
1994年 Pratt和Levy 垂直多层膜的GMR(CPP)，比CIP高4倍的变化
Phys.Rev.Lett.66(1991)3060--------70(1993)3343
MR(%)
MR=7 %
6
Co/Cu/Co/FeMn
4
2
0 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400
H(Oe)
增加纳米氧化层的自旋阀
纳米氧化层
NOL(Nanooxide layer)
Koui.et al和Huai et al 8th.Joint MMM-Intermag Conference2019
MR ( % )
16
14
12
NOL
10
15%
8
6
4
8%
2 0
-2 -600 -400 -200 0 200 400 600 H ( Oe )
用反铁磁层钉扎一层铁磁层的自旋阀结构
J.Appl.Phys.69(1991)4774
反铁磁层 钉扎铁磁层
自由铁磁层
Ag 2 nm FeMn 15 nm FeNi 15 nm Cu 2.6 nm FeNi 15 nm
Si
MR=2.2 %
能否增加自旋阀磁电阻？ CPP; 纳米氧化层
Si/150ÅNiFe/26ÅCu/150ÅNiFe/150ÅFeMn/20ÅAg
非磁金属Cu-GMR 绝缘体Al2O3-TMR
巨磁电阻GMR
Co/Cu多层膜
自旋电子极化方向平行磁化强度方向 自旋电子极化方向反平行磁化强度方向
RAP
RAP
RP
RAP
RP
RP
RAP
RP
磁化强度平行，RP电阻小
磁化强度反平行，RAP电阻大
MR RAP RP RP
二流体模型
隧道磁电阻TMR
↑↑ 电阻小
自旋极化度(％) 33 45 44
48
51
49
自旋电子学产生的背景：
例如： 纳米柱器件
• 纳米尺寸下新物理效应的发现； • 能在纳米尺度制备多层薄膜；
• 微电子工艺能制备亚微米器件； • 信息存储发展的需求。
3d 4s
P=45%
P=100%
GMR=4.0%
典型的两种效应：巨磁电阻GMR和隧道磁电阻TMR
Phys.Rev.Lett. 57 (1986) 2442
Unguris.et al.Phys.Rev.Lett.67(1991)140
1988年 Baibich等
金属多层膜的巨磁电阻
发现(Fe/Cr)多层膜的巨磁电阻效应
Phys.Rev.Lett.61(1988)2472
↑↓
反铁磁耦合(H=0)
全球定位
Global Position Systems
车辆检测
Vehicle Detection
导航
Navigation
Rotational 转动 Displacement 位移
位置传感器
Position Sensing
电流传感器
Current Sensing
Communication Products 通信产品