自旋电子学功能材料进展 (1)

自旋电子学功能材料进展3

都有为

(南京大学固体微结构物理国家重点实验室,江苏省纳米技术重点实验室,南京210093)

摘　要:巨磁电阻效应的发现开拓了磁电子学的新学科,20世纪90年代,磁电子学得到迅速的发展,并在应用上取得显著的经济效益与巨大的社会效应,本世纪初,研究的重点已转移到半导体自旋电子学的新方向,并已取得重要的进展。本文将结合我们科研组的研究工作,概述从磁电子学到半导体自旋电子学材料的发展,重点介绍稀磁半导体材料研究的进展。

关键词:磁电阻效应　自旋电子学　磁电子学　半导体自旋电子学　稀磁半导体

Progress in Functional Materials for Spintronics3

D U Youw ei

(National Laboratory of Solid State Microstructures&,Jiangsu Provincial

Lab.for Nanotechnology,Nanjing University,Nanjing21009)

Abstract:A new research field of magnetoelectronics has been developed since the discovery of giant magnetoresistance. Magnetoelectronics has developed very rapidly during the90’s of the20th.It has got remarkable economic benefit and huge society results in applications.The semiconductor spintronics has become import new research domain and got very important progress in the first decade of new century.In this paper the development of spintronics from magnetoelec2 tronics to semiconductor spintronics has been introduced briefly emphasis on the dilute magnetic semiconductors also in2 cluded some research works in our group.

K ey w ords:magntoresistance,spintronics,magnetoelectronics,semiconductor spintronics,dilute magnetic semiconductors

引言

1988年报道了在(Fe/Cr)多层膜中发现巨磁电阻效应之后,引起了科学界广泛的兴趣与重视,迅速地发展成为一门新兴的学科-磁电子学,磁电子学与传统的电子学或微电子学的主要区别在于传统的电子学是用电场控制载流子电荷的运动,而磁电子学是用磁场控制载流子自旋的运动。巨磁电阻效应的发现为人们获得与控制极化自旋流开拓了现实的可能性。多层膜巨磁电阻效应是源于载流子在输运过程中与自旋相关的散射作用。继多层膜磁电阻效应后,颗粒膜、隧道结磁电阻效应以及锰钙钛矿化合物的庞磁电阻效应相继被发现或取得重大进展,自旋阀的多层膜结构使产生巨磁电阻效应的饱和磁场大为降低,从而开拓了磁电阻器件的新纪元,高密度的磁记录磁头,磁随机存储器,磁传感器,自旋晶体管等相继问世,并已取得显著的经济效益与巨大的社会效应。20世纪人类最伟大的成就是微电子工业的崛起,但从物理的观点看来它仅仅是利用了电子具有电荷这一特性,众所周知,电子不仅具有电荷同时又具有自旋,以往这二个自由度分别在电子学与磁学这2个领域中各显身手,而在磁电子学中这2个自由度同时在固体中被用上了,从物理的角度考虑,增加一个自由度意味着可以增添无数新颖的应用,极化自旋与电子电荷在固体内部受控的运动,导致磁与电在固体内部有机结合的新器件的诞生。为了在微电子器件中实现磁控的目的,必须将极化自旋注入到半导体中,近年来在这方面从材料到结构进行了多方面的探索工作,取得了一定的进展,这是从磁电子学向半导体自旋电子学发展的重要的趋势,尽管离实用还相当远,但其应用前景十分诱人,已成为国际研究的热点。自旋电子学应当包括磁电子学与半导体自旋电子学二个方面,自旋电子学中所涉及到产生自旋极化的纳米结构材料是一类新型的功能材料,这是自旋电子学重要的材料基础。从

第28卷2006年8月　

第4期

1-6页

世界科技研究与发展

WOR LD SCI2TECH R&D

Vol.28

Aug.2006

No.4

pp.1-6

3基金项目:973项目“纳米材料和纳米结构”(G1999064508)国家自然科学基金资助项目(10374044)。

能带的观点看来,产生材料铁磁性的能带结构必须在费米面相应于二反向自旋具有非平衡的电子态密度,例如3d过渡族元素:Fe,Ni,Co等金属与合金,此外如Heusler合金,其通用式为X2YZ,其中X、Y 为3d过渡族元素,Z为Ⅲ、Ⅳ以及Ⅴ族元素,Half Heusler合金XYZ。其它如锰钙钛矿磁性化合物, CrO2,Fe3O4,EuO等化合物。为了有效的将极化自旋注入到半导体中,近年来稀释磁性半导体材料颇受青睐,已在宽禁带的半导体氧化物,如TiO2,ZnO 中掺入Mn,Fe,Co等3d过渡族元素发现了铁磁性,在常规半导体材料,如G aAs,InAs,G e,Si中掺入Mn同样发现了铁磁性,并用光发射二极管论证了稀磁半导体(Zn0191Be0106Mn0103Se)可以高效率的将极化自旋注入到G aAs半导体中。

本文将简洁地介绍新型功能材料-自旋电子学材料的进展。

1　磁电子学材料

上世纪末,美国科学院与工程院的科学家撰写论文[1],回顾了100年来在凝聚态物理领域中对人类社会的发展起重要推动作用的研究成果,其中在基础研究领域提到1857年发现的各向异性磁电阻效应,在应用技术领域中提到1988年发现的巨磁电阻效应[2],显见,磁电阻效应的发现与应用不仅具有深远的基础研究意义,而且具有现实而重要的应用前景。目前大致上将磁电阻效应分为:正常磁电阻效应(OMR);各向异性磁电阻效应(AMR);顺行磁电阻效应(PMR);巨磁电阻效应(GMR);隧道磁电阻效应(TMR);庞磁电阻效应(CMR);弹道磁电阻效应(BMR)这几类。磁电阻效应奠定了磁电子学的基础,磁电子学所涉及的主要是与自旋相关的输运性质,或磁输运性质(Magnetotransport),自旋极化是磁输运性质的核心,根据能带理论,费米面处自旋相关的态密度,对于非磁性金属,自旋朝上与自旋朝下的电子态密度是相同的,即电子的自旋是简并的,不存在自旋极化与净磁矩,但对于铁磁金属,由于交换作用,导致不同自旋取向的二个子带产生相对位移,所谓交换劈裂,从而在费米面二者态密度不等,二者态密度之差决定了磁化强度与自旋极化率。对磁性与非磁性材料的能带结构示意图见图1。因此,只有在磁性材料中才可能产生电子自旋极化,其中,多数载流子-指载流子自旋方向平行于磁化方向;少数载流子-指载流子自旋方向反平行于磁化方向

。

图1　磁性金属(钴)与非磁性金属(铜)能带结构的示意图

其中,多数载流子-指载流子自旋方向平行于磁化方向;

少数载流子-指载流子自旋方向反平等于磁化方向

通常定义自旋极化率P为在费米面处多数载流子的态密度(N↑)与少数载流子(N↓)归一化的态密度之差。

P=(N↑-N↓)/(N↑+N↓)

而自旋极化率与磁化强度M相关

M=μB∫(N↑-N↓)dE

P∝M(T)

与自旋相关的磁电阻效应,如巨磁电阻效应,隧道磁电阻效应等,与材料自旋极化率密切相关,高的自旋极化率对应于大的磁电阻效应。现将一些金属与合金的自旋极化率列于表1。

表1　3d过渡族金属与合金的自旋极化率

Metals Materials

M Ni Co Fe Ni80Fe20Co50Fe50Co84Fe16

P(%)334544485149 J.S.Moodera,G.Mathon,J MMM.,200(1999):248-273

由表1显见,3d过渡族金属与合金的自旋极化率为51%,其合金组成相应于最高的磁矩。从应用的角度出发,磁电子器件要求材料的磁电阻效应随磁场变化的灵敏度尽可能高,提高材料的自旋极化率是提高灵敏度的基础,尤其对逻辑应用的元器件,要求材料的自旋极化率能达到100%。自旋极化率取决于材料的能带结构,对3d过渡族金属与合金, 3d电子能带因交换劈裂而产生自旋极化,但其4p, 4s电子能带受交换作用的影响很少,电子自旋基本上是简并的,三者均参与输运过程中,因此从原则上考虑此类材料是不可能获得100%的自旋极化率。de Groot等人[3]通过能带计算,表明对于NiMnSb 类的半Heusler合金,费米面处的电子完全是多数

院士论坛　世界科技研究与发展2006年8月