自旋电子学研究进展(磁学会议)
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自旋电子学研究进展
h
1
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TMR h
2
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。
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
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。
1
[100]
Fe
2
o
[100] Fe
Mg
[010]
[110] MgO
多数电子和少数电子在费米 面 附近态密度h 完全不同。
多数电子和少数电子在费米 面 附近态密度大体相同。24
计算 Fe/MgO/Fe(k//=0) 隧道态密度TDOS
多数电子
少数电子
磁矩平行
磁矩反平行
对于k//=0 Fe(100)有四个布洛赫态：
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(1993)3343
h
4
2
0
13
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400
H(Oe)
增加纳米氧化层的自旋阀
h
↑↑ ↑↓
↑↑ ↑↓
↑↑
饱和磁场随Cr层厚度变化的振荡关系 Parkin.et al.Phys.Rev.Lett.64(1990)231024
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
图中所示为样品的退火温度
28
2005.2 实验结果
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
h
Courtesy of NVE17
The World of Magnetic Sensors
罗盘
Compassing
全球定位
Global Position Systems
车辆检测
Vehicle Detection
室温：MR=220％ 4K：MR=300％
热稳定性可超过 4000C,有利于与 CMOS配合
用磁控濺射制备的MgO磁隧道(80x80m2)
TA=3700C TA=3800C
TA=3600C
MgO:立方晶体(100)织构； CoFe：b.c.c.(100)织
构；IrMn：f.c.c.(100)织构
h
三种样品的TMR与退火温度的关系，
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。
h
4
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。
TMR 2P1P2 1 P1P2
N↑和N↓分别表示在费密面自旋向上和向下h的电子数。
9
自旋电子现象研究进程
h
10
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
这就是自h 旋极化的各向异性起因。
22
2001.1实验结果
MgO单晶势垒的磁隧道效应
w.wulfhekel Appl phys lett vol 78 509 (2001.1)
Fe MgO(001) Fe (001) MgO(001)基片
用MBE制备单晶磁隧道结
Fe(001)
MgO(001)-5ML/Fe(001)
最大的输出电压380mv
∆1相当于半金属能带
h
380mv 88%
26
2004.10 实验结果
单晶 Fe/MgO/Fe磁隧道结的TMR
Yuasa.s.et al.Nature Mater.3,868-871(2004.10)
室温：MR=180％ 20K：MR=247％ 低结电阻：RA~300—10km2
Fe (001) MgO (001) Fe (001) 单晶MgO(001)基片
隧道结是用MBE技术制备的单晶隧道 结。(3x3m2; 3x12m2)
tMgO=1.8nm
MgO厚度tMgO=2.3nm;测试偏压为10mV.
垂直方向：
MgO[001](Fe[001])轴，[001]方向MgO晶格常数为0.221nm
400 600
14
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)
h
反铁磁层 铁磁层 1 非磁性层 铁磁层 2
15
硬磁盘读出头的发展
2004年 ~170Gbit/in2
2000 100
预计不久到 1000 Gbit/inh2,最终可能到 50 Tbit/in2 (100nm65Gbit/i1n62)
纳米氧化层
NOL(Nanooxide layer)
Koui.et al和Huai et al 8th.Joint MMM-Intermag Conference2001
h
MR ( % )
16
14
12
NOL
10
15%
8
6
4
8%
2 0
-2 -600 -400 -200 0 200 H ( Oe )
∆R/R=15％ ( >10％ )
MgO 3.9ML Fe(100)
Fe 5ML MgO 2ML Fe(100)
STM测量隧道效应，黑线对应灰色区域，虚线对应黑点h (较低的隧道势垒)。
Au MgO 5ML Fe(100)
镀上金Au电极层
实验为理论提供2条3 件
Spin-dependent tunneling conductance of Fe/MgO/Fe sandwiches
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
MR=7 %
6
Co/Cu/Co/FeMn
h
7
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 h
二流体模型
8
隧道磁电阻TMR
↑↑ 电阻小
↑↓ 电阻大
自旋极化度 N N P N N
水平方向：
MgO[100](Fe[110])轴，[100]方向MgO晶格常数为0.208nm
h
27
2004.10 实验结果
CoFe/MgO/CoFe磁隧道结的TMR
Parkin.S.S.P.et al. Nature.Mater.3,862-867(2004)
TaN CoFe MgO CoFe CoFe IrMn TaN
Unguris.et al.Phys.Rev.Lett.67(1991)140
h
11
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
↑↓
(Fe/Cr)n的R/R0磁电阻随周期数n的增加而增大
25
2004.4 实验结果
相干自旋极化隧穿的Fe/MgO/Fe隧道结
S.Yuasa Jpn J Appl phys vol 43 L588 (2004.4)
Fe (001) MgO(001)2nm Fe (001) MgO(001)基片
3x12m2
室温：TMR=88%
超过Al2O3非晶势垒(TMR~70%)
Europhys Lett.,52(3),pp.344-350 (2000)
硅基片上的MgO单晶做底层， 高取向织构Fe的隧道结TEM的断面像。
Fe晶轴 TMR (T=2K)
T=290K
(100) (110)
13% 32%
7% 18%
(211)
42%
23%
当电子波矢k逐渐偏离势垒法线方向，电子隧穿几率急剧减小,
1982年 Maekawa等 在Ni/NiO/Ni，(Fe、Co)等发现磁隧道电阻效应
hIEEE Trans.Magn.18(1982)707
19
1995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(1995)L231----151(1995)403
h
5
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
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。
h
Baidu Nhomakorabea
3d 4s
P=45%
P=100%
GMR=4.0%
6
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
一个∆1，两重简并态∆5 ，一个∆2’
在MgO中有不同的衰减，∆1只在多数电子时在费米面附近
有较高态密度。
h
结论：
多数电子的隧道电导由对 称的∆1态决定，由于∆1态对 多数电子在费米面附近有态 密度，对少数电子在费米面 附近没有态密度，
类似于半金属的能态，因 此自旋极化率为100%。
理论预言TMR可达到 1000％
Ni79Fe21(3nm) Cu(20nm) Ni79Fe21(3nm)
Ta(5nm)
Si
TMR=22%
退火态
TMR=50%
77K和4.2K
X.F.Han eht all.Jpn.J.Appl.Phys.39(2000) L441.
21
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
Fe Fe
↑↓
↑↓
↑↑
↑↑
↑↑
Al2O3
Fe/Cr/Fe电阻隧磁场变化
↓↓
↓↑ ↓↑
↓↓
Fe Al2O3
Fe
h
20
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)
导航
Navigation
Rotational 转动 Displacement 位移
位置传感器
Position Sensing
电流传h感器
Current Sensing
Communicatio1n8 Products 通信产品
三、隧道磁电阻TMR
1975年 Julliere
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
W.H.Butler Phys.Rev.B.Vol 63. 054416 (2001.1)
用第一性原理计算隧道电导和磁电导
结构模型
计算： MgO界面附近的Fe在费
米面 附近的态密度
Fe界面附近的MgO在费米面 附近的态密度
小原子是镁，大原子是铁，大原子上 的黑球是氧。Fe[100]平行MgO(100)面 上的[110]方向。
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？
h
3
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
VVrRn
波动方程解(布洛赫定理)：
h
1
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TMR h
2
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。
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
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。
1
[100]
Fe
2
o
[100] Fe
Mg
[010]
[110] MgO
多数电子和少数电子在费米 面 附近态密度h 完全不同。
多数电子和少数电子在费米 面 附近态密度大体相同。24
计算 Fe/MgO/Fe(k//=0) 隧道态密度TDOS
多数电子
少数电子
磁矩平行
磁矩反平行
对于k//=0 Fe(100)有四个布洛赫态：
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(1993)3343
h
4
2
0
13
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400
H(Oe)
增加纳米氧化层的自旋阀
h
↑↑ ↑↓
↑↑ ↑↓
↑↑
饱和磁场随Cr层厚度变化的振荡关系 Parkin.et al.Phys.Rev.Lett.64(1990)231024
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
图中所示为样品的退火温度
28
2005.2 实验结果
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
h
Courtesy of NVE17
The World of Magnetic Sensors
罗盘
Compassing
全球定位
Global Position Systems
车辆检测
Vehicle Detection
室温：MR=220％ 4K：MR=300％
热稳定性可超过 4000C,有利于与 CMOS配合
用磁控濺射制备的MgO磁隧道(80x80m2)
TA=3700C TA=3800C
TA=3600C
MgO:立方晶体(100)织构； CoFe：b.c.c.(100)织
构；IrMn：f.c.c.(100)织构
h
三种样品的TMR与退火温度的关系，
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。
h
4
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。
TMR 2P1P2 1 P1P2
N↑和N↓分别表示在费密面自旋向上和向下h的电子数。
9
自旋电子现象研究进程
h
10
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
这就是自h 旋极化的各向异性起因。
22
2001.1实验结果
MgO单晶势垒的磁隧道效应
w.wulfhekel Appl phys lett vol 78 509 (2001.1)
Fe MgO(001) Fe (001) MgO(001)基片
用MBE制备单晶磁隧道结
Fe(001)
MgO(001)-5ML/Fe(001)
最大的输出电压380mv
∆1相当于半金属能带
h
380mv 88%
26
2004.10 实验结果
单晶 Fe/MgO/Fe磁隧道结的TMR
Yuasa.s.et al.Nature Mater.3,868-871(2004.10)
室温：MR=180％ 20K：MR=247％ 低结电阻：RA~300—10km2
Fe (001) MgO (001) Fe (001) 单晶MgO(001)基片
隧道结是用MBE技术制备的单晶隧道 结。(3x3m2; 3x12m2)
tMgO=1.8nm
MgO厚度tMgO=2.3nm;测试偏压为10mV.
垂直方向：
MgO[001](Fe[001])轴，[001]方向MgO晶格常数为0.221nm
400 600
14
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)
h
反铁磁层 铁磁层 1 非磁性层 铁磁层 2
15
硬磁盘读出头的发展
2004年 ~170Gbit/in2
2000 100
预计不久到 1000 Gbit/inh2,最终可能到 50 Tbit/in2 (100nm65Gbit/i1n62)
纳米氧化层
NOL(Nanooxide layer)
Koui.et al和Huai et al 8th.Joint MMM-Intermag Conference2001
h
MR ( % )
16
14
12
NOL
10
15%
8
6
4
8%
2 0
-2 -600 -400 -200 0 200 H ( Oe )
∆R/R=15％ ( >10％ )
MgO 3.9ML Fe(100)
Fe 5ML MgO 2ML Fe(100)
STM测量隧道效应，黑线对应灰色区域，虚线对应黑点h (较低的隧道势垒)。
Au MgO 5ML Fe(100)
镀上金Au电极层
实验为理论提供2条3 件
Spin-dependent tunneling conductance of Fe/MgO/Fe sandwiches
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
MR=7 %
6
Co/Cu/Co/FeMn
h
7
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 h
二流体模型
8
隧道磁电阻TMR
↑↑ 电阻小
↑↓ 电阻大
自旋极化度 N N P N N
水平方向：
MgO[100](Fe[110])轴，[100]方向MgO晶格常数为0.208nm
h
27
2004.10 实验结果
CoFe/MgO/CoFe磁隧道结的TMR
Parkin.S.S.P.et al. Nature.Mater.3,862-867(2004)
TaN CoFe MgO CoFe CoFe IrMn TaN
Unguris.et al.Phys.Rev.Lett.67(1991)140
h
11
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
↑↓
(Fe/Cr)n的R/R0磁电阻随周期数n的增加而增大
25
2004.4 实验结果
相干自旋极化隧穿的Fe/MgO/Fe隧道结
S.Yuasa Jpn J Appl phys vol 43 L588 (2004.4)
Fe (001) MgO(001)2nm Fe (001) MgO(001)基片
3x12m2
室温：TMR=88%
超过Al2O3非晶势垒(TMR~70%)
Europhys Lett.,52(3),pp.344-350 (2000)
硅基片上的MgO单晶做底层， 高取向织构Fe的隧道结TEM的断面像。
Fe晶轴 TMR (T=2K)
T=290K
(100) (110)
13% 32%
7% 18%
(211)
42%
23%
当电子波矢k逐渐偏离势垒法线方向，电子隧穿几率急剧减小,
1982年 Maekawa等 在Ni/NiO/Ni，(Fe、Co)等发现磁隧道电阻效应
hIEEE Trans.Magn.18(1982)707
19
1995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(1995)L231----151(1995)403
h
5
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
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。
h
Baidu Nhomakorabea
3d 4s
P=45%
P=100%
GMR=4.0%
6
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
一个∆1，两重简并态∆5 ，一个∆2’
在MgO中有不同的衰减，∆1只在多数电子时在费米面附近
有较高态密度。
h
结论：
多数电子的隧道电导由对 称的∆1态决定，由于∆1态对 多数电子在费米面附近有态 密度，对少数电子在费米面 附近没有态密度，
类似于半金属的能态，因 此自旋极化率为100%。
理论预言TMR可达到 1000％
Ni79Fe21(3nm) Cu(20nm) Ni79Fe21(3nm)
Ta(5nm)
Si
TMR=22%
退火态
TMR=50%
77K和4.2K
X.F.Han eht all.Jpn.J.Appl.Phys.39(2000) L441.
21
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
Fe Fe
↑↓
↑↓
↑↑
↑↑
↑↑
Al2O3
Fe/Cr/Fe电阻隧磁场变化
↓↓
↓↑ ↓↑
↓↓
Fe Al2O3
Fe
h
20
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)
导航
Navigation
Rotational 转动 Displacement 位移
位置传感器
Position Sensing
电流传h感器
Current Sensing
Communicatio1n8 Products 通信产品
三、隧道磁电阻TMR
1975年 Julliere
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
W.H.Butler Phys.Rev.B.Vol 63. 054416 (2001.1)
用第一性原理计算隧道电导和磁电导
结构模型
计算： MgO界面附近的Fe在费
米面 附近的态密度
Fe界面附近的MgO在费米面 附近的态密度
小原子是镁，大原子是铁，大原子上 的黑球是氧。Fe[100]平行MgO(100)面 上的[110]方向。
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？
h
3
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
VVrRn
波动方程解(布洛赫定理)：