材料科学与工程前沿自旋电子材料
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即一个微弱的磁场变化可以在特定系统中产生 很大的电阻变化
巨磁阻将物质磁性与电荷输运结合在一起
从而诞生了磁电子学和自旋电子学
Electron spindependent transport;
Two-channel conduction theory (Fert and Campell, J. Phys. F6, 849(1976);
适当中介层厚度，相邻铁磁层磁化方向相反，形成反铁磁序 (AF)，外磁场使其磁化转向，转化为铁磁模式（FM）。
这 种 结 构 由 被 非 磁 隔 离 层 (NMlayers)分开的薄铁磁层(FM-layers) 组成
非磁隔离层的存在使得相邻铁磁 层存在交换耦合作用，即它们磁化 方向处于反平行状态（AF）
这种耦合作用可以用RudermanKittel-Kasuya-Yoshida(RKKY) 模 型解释
外磁场H克服层间耦合可使所有 磁层的磁化方向从反铁磁模式(AFmode) 同时转换为平向方向，即铁 磁模式(F-mode)。
1988年发现三层结构推广到多层时，在室温下其 磁阻超过10 %； 为了强调磁阻显著的变化，特意在这种“磁阻” （“MR”）之前加上“巨”（“giant”），而称为 “巨磁阻”（“GMR”）。
自旋电子材料
(磁性+电性)
Origin of Magnetism
Magnetism is originated from the motion of electrons around the nucleus (planetary like motion)
The magnetic moment due to orbital motion:
-
T L S
The magnetic moment due to spin motion:
-
磁性材料的应用
钢铁研究总院 10 GB 5.25 in.
40 GB 3.5 in.
NS
计算机硬盘以及 微电子机械系统 (MEMS)的小型 化及高性能化
NS
关键技术之一: 磁性材料的 小型化、高性能化和集成化
Conduction electron: Spin-up and spindown.
自旋电子学-Spin Electronics
1995年后，GMR的研究发展成为一门新型的学科---自 旋电子学(Spin electronics)
主要包括利用顺磁、铁磁金属和绝缘体材料的组合的 磁阻效应实现器件和电路功能，例如： –计算机硬盘驱动器的读磁头 –非挥发磁随机存储器(MRAM), –电路隔离器（circuit isolators）
巨磁阻和巨磁阻材料
磁阻-Magnetoresistance (MR)
磁阻——由磁性引起的附加电阻 一百多年以前便知道外加磁场可改变电阻值的 大小 在非磁性金属中磁阻产生的原因是Lorentz力 在磁性金属中磁阻是由于量子效应中的Spinorbital 耦合引起的，也就是各向异性磁阻 然而这些电阻的变化一般较小，因此其应用价 值也较有限，主要是作一些简单的传感器
两个研究团队分別在4.2K温度 和室温下，对各自研制的磁性多 层薄膜系统磁电阻予以测量，
Fert教授在4.2K 的低温，在 (Fe/Cr)n，n = 60系统中测量得 到50% 磁阻变化，
Grunberg教授則在室温下，测 量Fe/Cr/Fe三明治结构，测得大 約1.5% 的磁阻变化，随后又在 低 溫 下 Fe/Cr/Fe/Cr/Fe 系 统 中 测得约10% 的磁阻变化率。
磁阻-Magnetoresistance (MR) 几乎所有金属、合金和半导体中都存在磁阻，它是磁场 中物质的附加磁阻（W. Thomson 于1857年发现），即
磁阻由洛仑兹力引起，与磁场（磁化）方向有关
巨磁阻-Giant Magnetoresistance (GMR) 巨磁阻发现的前期工作是1986年Grünberg对Fe/Cr/Fe 三层膜的研究 他们最初的研究目的是研究超薄Cr薄膜的反常特性 意外发现在适当的厚度下，通过Cr膜的中介，两个Fe 层薄膜之间产生反铁磁交换耦合作用，相邻铁膜从铁磁相 转化为反铁磁相。
Double-exchange (EF<EAF)
RKKY interaction
eg
simultaneously
t2g
According to Hund rule on the intra atomic exchange, the carriers do not change their spin orientation when hopping from one ion to the next, so they can only hop if the spins of the two ions are parallel. Therefore, this parallel spin alignment induces ferromagnetism。
磁性隧道结-Magnetic Tunneling Junction
磁性隧道结-Magnetic Tunneling Junction
磁性隧道结-Magnetic Tunneling Junction
磁性半导体(稀磁半导体)
Mechanism of Ferromagnetism in DMS
Albert Fert Peter Grunberg
后来的研究中，巨磁阻越来越显著。
法国科学家费尔和德国科学家格林贝格尔因发 现巨磁阻效应而荣获2007年诺贝尔物理学奖
瑞典皇家科学院发布的颁奖声明称，他们 1988 年 各 自 独 立 发 现 了 一 种 全 新 的 物 理 效 应——巨磁电阻
–自旋阀传感器
Fra Baidu bibliotek
自旋阀 (Spin Valves)
Exchange-biased spin-valves were developed by Dieny et al., Phys. Rev. B43, R1297(1991).
Spin configuration of an FM-AFM bilayes
巨磁阻将物质磁性与电荷输运结合在一起
从而诞生了磁电子学和自旋电子学
Electron spindependent transport;
Two-channel conduction theory (Fert and Campell, J. Phys. F6, 849(1976);
适当中介层厚度，相邻铁磁层磁化方向相反，形成反铁磁序 (AF)，外磁场使其磁化转向，转化为铁磁模式（FM）。
这 种 结 构 由 被 非 磁 隔 离 层 (NMlayers)分开的薄铁磁层(FM-layers) 组成
非磁隔离层的存在使得相邻铁磁 层存在交换耦合作用，即它们磁化 方向处于反平行状态（AF）
这种耦合作用可以用RudermanKittel-Kasuya-Yoshida(RKKY) 模 型解释
外磁场H克服层间耦合可使所有 磁层的磁化方向从反铁磁模式(AFmode) 同时转换为平向方向，即铁 磁模式(F-mode)。
1988年发现三层结构推广到多层时，在室温下其 磁阻超过10 %； 为了强调磁阻显著的变化，特意在这种“磁阻” （“MR”）之前加上“巨”（“giant”），而称为 “巨磁阻”（“GMR”）。
自旋电子材料
(磁性+电性)
Origin of Magnetism
Magnetism is originated from the motion of electrons around the nucleus (planetary like motion)
The magnetic moment due to orbital motion:
-
T L S
The magnetic moment due to spin motion:
-
磁性材料的应用
钢铁研究总院 10 GB 5.25 in.
40 GB 3.5 in.
NS
计算机硬盘以及 微电子机械系统 (MEMS)的小型 化及高性能化
NS
关键技术之一: 磁性材料的 小型化、高性能化和集成化
Conduction electron: Spin-up and spindown.
自旋电子学-Spin Electronics
1995年后，GMR的研究发展成为一门新型的学科---自 旋电子学(Spin electronics)
主要包括利用顺磁、铁磁金属和绝缘体材料的组合的 磁阻效应实现器件和电路功能，例如： –计算机硬盘驱动器的读磁头 –非挥发磁随机存储器(MRAM), –电路隔离器（circuit isolators）
巨磁阻和巨磁阻材料
磁阻-Magnetoresistance (MR)
磁阻——由磁性引起的附加电阻 一百多年以前便知道外加磁场可改变电阻值的 大小 在非磁性金属中磁阻产生的原因是Lorentz力 在磁性金属中磁阻是由于量子效应中的Spinorbital 耦合引起的，也就是各向异性磁阻 然而这些电阻的变化一般较小，因此其应用价 值也较有限，主要是作一些简单的传感器
两个研究团队分別在4.2K温度 和室温下，对各自研制的磁性多 层薄膜系统磁电阻予以测量，
Fert教授在4.2K 的低温，在 (Fe/Cr)n，n = 60系统中测量得 到50% 磁阻变化，
Grunberg教授則在室温下，测 量Fe/Cr/Fe三明治结构，测得大 約1.5% 的磁阻变化，随后又在 低 溫 下 Fe/Cr/Fe/Cr/Fe 系 统 中 测得约10% 的磁阻变化率。
磁阻-Magnetoresistance (MR) 几乎所有金属、合金和半导体中都存在磁阻，它是磁场 中物质的附加磁阻（W. Thomson 于1857年发现），即
磁阻由洛仑兹力引起，与磁场（磁化）方向有关
巨磁阻-Giant Magnetoresistance (GMR) 巨磁阻发现的前期工作是1986年Grünberg对Fe/Cr/Fe 三层膜的研究 他们最初的研究目的是研究超薄Cr薄膜的反常特性 意外发现在适当的厚度下，通过Cr膜的中介，两个Fe 层薄膜之间产生反铁磁交换耦合作用，相邻铁膜从铁磁相 转化为反铁磁相。
Double-exchange (EF<EAF)
RKKY interaction
eg
simultaneously
t2g
According to Hund rule on the intra atomic exchange, the carriers do not change their spin orientation when hopping from one ion to the next, so they can only hop if the spins of the two ions are parallel. Therefore, this parallel spin alignment induces ferromagnetism。
磁性隧道结-Magnetic Tunneling Junction
磁性隧道结-Magnetic Tunneling Junction
磁性隧道结-Magnetic Tunneling Junction
磁性半导体(稀磁半导体)
Mechanism of Ferromagnetism in DMS
Albert Fert Peter Grunberg
后来的研究中，巨磁阻越来越显著。
法国科学家费尔和德国科学家格林贝格尔因发 现巨磁阻效应而荣获2007年诺贝尔物理学奖
瑞典皇家科学院发布的颁奖声明称，他们 1988 年 各 自 独 立 发 现 了 一 种 全 新 的 物 理 效 应——巨磁电阻
–自旋阀传感器
Fra Baidu bibliotek
自旋阀 (Spin Valves)
Exchange-biased spin-valves were developed by Dieny et al., Phys. Rev. B43, R1297(1991).
Spin configuration of an FM-AFM bilayes