自旋电子学研究进展(磁学会议)
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0.6nm
金银铜铝 1-10m
电子的自旋通常只有在磁性原子附近通过交换作用或者通过自旋 -轨道耦合与杂质原子或者缺陷发生相互作用被退极化。
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
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
16
14
12
NOL
10
15%
8
MR ( % )
NOL(Nanooxide layer)
6
4
8%
2
0
Biblioteka Baidu
-2
-600 -400 -200 0 200 400 600
Koui.et al和Huai et al 8th.Joint MMM-Intermag Conference2001
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
非磁金属Cu-GMR 绝缘体Al2O3-TMR
自旋电子学研究进展(磁学会议)
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
低温下电子弹性散射的平均时间间隔10-13 秒，平均自由程10nm。
非弹性散射的平均时间间隔10-11 秒，相位干涉长度1m。
极化电子自旋保持原有极化方向的平均间隔时间10-9 秒，自旋扩散 长度100m。
室温下自旋扩散长度
自旋向上↑ 自旋向下↓
钴 5.5nm
0.6nm
铁 1.5nm
2.1nm
FeNi 4.6nm
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
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。 自旋电子学研究进展(磁学会议)
H ( Oe )
自旋电子学研究进展(磁学会议) ∆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)
自旋电子学研究进展(磁学会议)
反铁磁层 铁磁层 1 非磁性层 铁磁层 2
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 自旋电子RP学研究进展(磁学会议)
二流体模型
隧道磁电阻TMR
↑↑ 电阻小
↑↓ 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自向旋上电子和学向研下究进的展电(磁子学数会。议)
VVrRn
波动方程解(布洛赫定理)：
布洛赫函数
rRn eikRnr
reikrur
urRnur
在严格的周期性势场下(绝对零度00K，完整的单晶)，前进的电子波 是完全“透明”的。一旦严格周期性势场被破坏( 如：温度升高原子的振 动，多晶体晶粒的晶界，晶体中的杂质或缺陷等 )电子波受到散射。
自旋电子学研究进展(磁学会议)
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
MR=7 %
6
Co/Cu/Co/FeMn
MR(%)
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(19自93)旋334电3 子学研究进展(磁学会议)
自旋电子学研究进展(磁学会议)
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)
↑↓
∆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 (Fe/Cr)n的R/R0磁电阻随周期数n的增自加旋而电增子大学研究进展(磁学Pa会rk议in).et al.Phys.Rev.Lett.64(1990)2304
硬磁盘读出头的发展
2004年 ~170Gbit/in2
2000 100
预计不久到自1旋00电0子G学bi研t/in究2进,最展终(磁可学能会到议)50 Tbit/in2 (100nm65Gbit/in2)
电子通过磁化的铁磁材料，产生自旋极化电子，极化电子有 向上和向下的两种载流子，利用自旋向上或向下两种载流子的特 性能否做成新的电子器件？更进一步能否利用四种载流子制造电 子器件？
自旋电子学研究进展(磁学会议)
电子在固体中的输运性质
晶体中的电子是在一个具有晶格周期性的等效势场中运动
2hm 2 2
VE
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
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
自旋电子现象研究进程
自旋电子学研究进展(磁学会议)
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
Phys.Rev.Lett. 57 (1986) 2442
Unguris.et al.Phys.Rev.Lett.67(1991)140
自旋电子学研究进展
自旋电子学研究进展(磁学会议)
自旋
自旋
一、序言
四、半导体自旋电子
二、巨磁电阻GMR
五、MRAM研究进展
三、隧道磁电阻自T旋M电R子学研究进展(磁学会议)
一、序言
电荷 e1.60210x1019c
电子
电子
自旋 M s1.16530x1029W b/m
在半导体材料中有电子和空穴两种载流子，利用这两种 载流子的输运性质，1947年发明了晶体管，开创了信息时代。
金银铜铝 1-10m
电子的自旋通常只有在磁性原子附近通过交换作用或者通过自旋 -轨道耦合与杂质原子或者缺陷发生相互作用被退极化。
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
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
16
14
12
NOL
10
15%
8
MR ( % )
NOL(Nanooxide layer)
6
4
8%
2
0
Biblioteka Baidu
-2
-600 -400 -200 0 200 400 600
Koui.et al和Huai et al 8th.Joint MMM-Intermag Conference2001
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
非磁金属Cu-GMR 绝缘体Al2O3-TMR
自旋电子学研究进展(磁学会议)
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
低温下电子弹性散射的平均时间间隔10-13 秒，平均自由程10nm。
非弹性散射的平均时间间隔10-11 秒，相位干涉长度1m。
极化电子自旋保持原有极化方向的平均间隔时间10-9 秒，自旋扩散 长度100m。
室温下自旋扩散长度
自旋向上↑ 自旋向下↓
钴 5.5nm
0.6nm
铁 1.5nm
2.1nm
FeNi 4.6nm
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
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。 自旋电子学研究进展(磁学会议)
H ( Oe )
自旋电子学研究进展(磁学会议) ∆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)
自旋电子学研究进展(磁学会议)
反铁磁层 铁磁层 1 非磁性层 铁磁层 2
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 自旋电子RP学研究进展(磁学会议)
二流体模型
隧道磁电阻TMR
↑↑ 电阻小
↑↓ 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自向旋上电子和学向研下究进的展电(磁子学数会。议)
VVrRn
波动方程解(布洛赫定理)：
布洛赫函数
rRn eikRnr
reikrur
urRnur
在严格的周期性势场下(绝对零度00K，完整的单晶)，前进的电子波 是完全“透明”的。一旦严格周期性势场被破坏( 如：温度升高原子的振 动，多晶体晶粒的晶界，晶体中的杂质或缺陷等 )电子波受到散射。
自旋电子学研究进展(磁学会议)
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
MR=7 %
6
Co/Cu/Co/FeMn
MR(%)
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(19自93)旋334电3 子学研究进展(磁学会议)
自旋电子学研究进展(磁学会议)
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)
↑↓
∆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 (Fe/Cr)n的R/R0磁电阻随周期数n的增自加旋而电增子大学研究进展(磁学Pa会rk议in).et al.Phys.Rev.Lett.64(1990)2304
硬磁盘读出头的发展
2004年 ~170Gbit/in2
2000 100
预计不久到自1旋00电0子G学bi研t/in究2进,最展终(磁可学能会到议)50 Tbit/in2 (100nm65Gbit/in2)
电子通过磁化的铁磁材料，产生自旋极化电子，极化电子有 向上和向下的两种载流子，利用自旋向上或向下两种载流子的特 性能否做成新的电子器件？更进一步能否利用四种载流子制造电 子器件？
自旋电子学研究进展(磁学会议)
电子在固体中的输运性质
晶体中的电子是在一个具有晶格周期性的等效势场中运动
2hm 2 2
VE
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
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
自旋电子现象研究进程
自旋电子学研究进展(磁学会议)
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
Phys.Rev.Lett. 57 (1986) 2442
Unguris.et al.Phys.Rev.Lett.67(1991)140
自旋电子学研究进展
自旋电子学研究进展(磁学会议)
自旋
自旋
一、序言
四、半导体自旋电子
二、巨磁电阻GMR
五、MRAM研究进展
三、隧道磁电阻自T旋M电R子学研究进展(磁学会议)
一、序言
电荷 e1.60210x1019c
电子
电子
自旋 M s1.16530x1029W b/m
在半导体材料中有电子和空穴两种载流子，利用这两种 载流子的输运性质，1947年发明了晶体管，开创了信息时代。