第6章_自旋电子学_1

GMR现象及解释
膜厚的影响
Co/Cu结构系统中GMR比率随着铜层厚度而变化
(from S.S. Parkin et al [22]). XIDIAN506LAB
GMR现象及解释
膜厚的影响 不同温度下， Co/Ru 系统中 GMR比率随 着 钌（Ru） 间隔层的厚度 而变化 (S.S. Parkin et al ).
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巨磁阻发现
磁阻
• 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 ρ ( H ) − ρ ( 0) MR = ρ ( 0) • 磁阻由洛仑兹力引起，与磁场（磁化）方向有关，ρ依赖于 磁化M方向与电流I之间的夹角ϕ •ρ (ϕ) ~ ρ (90º)+Δρ cos2ϕ •Δρ/ρ ~ 2% •各向异性
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磁隧道结
d: nm V
F1
I
F2
CoFe / Al2O3 / Co
Transmission probability :
T∝e
− α d 2m * V h2
• 铁磁－绝缘体－铁磁隧道结
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磁隧道结
历史
• 1974, M. Julliere (a graduate student)发表实验文章 报道Fe/Ge/Fe 三层结构中 14% TMR 。提出一个简 单模型 (the paper became a sleeping giant). • 1982, IBM 报道在Ni/AlO/Ni 测到 2% TMR. • 1995, Moodera (MIT) and Miyazaki (Japan) 报道在 Co/AlO/Co 中测到 10% TMR . • 1998, DARPA launched MRAM solicitation • 1999, Motorola’s 128kB MRAM demo • 2003, IBM, Motolora, 4Mb MRAM chip demo • More than 10 startup MRAM companies formed. • MRAM becomes internationally recognized future technology
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磁电子学
• 1995年，GMR的研究发展成为一门新型的学 科---磁电子学(Magnetoelectronics) • 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： – – – – 自旋阀传感器 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）
Albert Fert
彼得·格林贝格尔
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巨磁阻发现
GMR可达 100％以上
磁超晶格结构
• 后来的研究中，巨磁阻越来越显著。
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GMR现象及解释
CIP与CPP
• 磁多层超晶格结构中巨磁阻效应电流传输的两种方式： • CIP—电流平行于平面（Current In the Plane）（1988） • CPP—电流垂直于平面（Current perpendicular to the Plane）（1991，Pratt ）
Configuration P
CPP巨磁阻机制
M NM M
Configuration AP
M NM M
+
+ ri r ri ri r ri Ri R Ri
ri r ri
Ri R Ri R
Ri R Ri
Ri R Ri R
r
Short-circuit: R low
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GMR现象及解释
AF模式
F模式
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巨磁阻发现
巨磁阻现象
• 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”）
Fe or Co…. Cr or Cu ~ 80%
铁磁体的性质
• 材料的磁效应产生自电 子自旋和轨道运动
– 安培环流假设 – 交换、耦合作用能决定材 料磁性
XIDIAN506LAB 原子间距离／原子半径
巨磁阻发现
哪些元素具有磁性
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巨磁阻发现 巨磁阻发现
铁磁晶体
铁磁晶体
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巨磁阻发现
磁阻
• 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。 • 然而這些電阻的變化一般較小，因此其應用價 值也較有限，主要是作一些簡單感應器。
纳米电子学
第九章 自旋电子学 Spintronics 杜磊
(第一部分)
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目录
• • • • • • • • 引言 巨磁阻的发现 磁电子学 自旋极化输运 自旋电子学内涵 磁性半导体 自旋极化方法与技术 自旋电子学器件及应用
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引言
电荷与自旋
• 电子具有电荷和自旋两种性质 • 传统电子器件忽略了电子自旋特性，仅利用 电子电荷输运完成器件功能。 • 与自旋相关的物质磁性也有广泛的应用 • 物质磁性用于信息存储，但是传统磁存储技 术中却不考虑电子输运，仅利用磁畴取向。
• 巨磁阻结构
– 除了连续型多层膜（CML）外，还研究了 – 自旋阀（SV），隧道型多层膜，非连续型 多层膜，图形多层膜（PML），多层膜线和 单层膜GMR
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目录
• • • • • • • • 引言 巨磁阻现象的发现 磁电子学 自旋极化输运 自旋电子学内涵 磁性半导体 自旋极化 自旋电子学器件及应用
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巨磁阻发现
三明治结构
• 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 • 却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 • 这种转化被中子衍射实验所证实
巨磁阻解释
• 载流子输运特性依赖于自 旋取向 • 基于能带论的巨磁阻解释
自旋瓶颈磁阻
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GMR现象及解释
巨磁阻兰道尔理论
• 介观（相干）量子输运理论:
•Hamiltonian
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GMR现象及解释 磁阻随磁化取向变化
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GMR现象及解释
CIP geometry
I
V I
CPP geometry
Nb
V
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GMR现象及解释
CIP巨磁阻机制
• 自旋相关散射基础上的双流体模型：
– 传导电子受到界面反射与自旋取向相关，从 而产生巨磁电阻效应。
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GMR现象及解释
•电流垂直于层面，传导电子穿过界 面会受到更强的自旋相关界面散射 •电阻可以看成各层内电阻与界面电 阻串联
电荷
自旋
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引言
07年诺贝尔物理学奖
• 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 – 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
Peter Grünberg
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）。 XIDIAN506LAB
巨磁阻发现
磁多层结构
• 这种结构由被非磁隔离层(NM-layers)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Ruderman-KittelKasuya-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 (AF-mode) 同时 转换为平向方向，即铁磁模式 (F-mode)
→ 隧穿磁阻
N↑(EF) − N↓(EF) SP= N↑(EF) + N↓(EF)
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非耦合型的GMR结构
• 反铁磁耦合型GMR多层膜虽然 能够产生很高的磁阻，但是强反 铁磁耦合效应导致很高的饱和磁 场。 • 耦合型GMR结构用于磁电子学 器件（如传感器）不适合 • 1988年之后不久发现了三种非耦 合型GMR结构
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巨磁阻发现
物质的磁性
• 人类很早就发现了物质的磁性 • 物质磁性起源于系统基态磁矩的 有序排列
简单铁磁体
简单反铁磁体
亚铁磁体
倾斜反铁磁体
螺旋状自旋阵列
XIDIAN506LAB 铁磁体能带
巨磁阻发现
• 铁磁体中存在磁畴，磁 畴存在的关键证据是：
– – – – – 存在饱和磁滞回线 高的介电常数 热电性（Pyroelectric） 压电性（piezoelectric） 剩余磁化
磁耦合振荡
长周期振荡
S. S. P. Parkinet. al. PRL 64, 2304 (1990).
短周期振荡 周期～2个原子单层（约0.3纳米） 周期～3个原子单层（约0.45纳米）
MLJ. Unguriset. al. PRL 67, 140 (1991). S. T. Purcell et. al. PRL 67, 903 (1991). Z. Q. Qiu et. al. PRL 68, 1398 XIDIAN506LAB (1992).
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GMR现象及解释
膜厚的影响 不同温度 下， Co/Cr 淀积系统 GMR比率 随着铬(Cr) 间隔层厚度 变化 (from S.S. Parkin et al [21]).
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GMR现象及解释
• 巨磁阻材料
材料与结构
– 除了最初的Fe/Cr材料的多层结构，多晶 Co/Cu材料多层膜有更好的性能 – 多种材料结构中都发现了巨磁阻现象
– 其中两种被称为磁自旋阀（spinvalve effect）GMR结构
自旋阀多层膜的基本结 构：铁磁（固定或钉 扎）层／非磁层，铁磁 （自由）层／反铁磁 （偏场）层组成 XIDIAN506LAB
自旋阀工作原理
• 两个铁磁层被较厚的非磁（如Cu）层隔开，致 使铁磁层间退耦合。 • 由于非磁层的屏蔽作用，自由铁磁层可以在较 弱的磁场作用下改变磁化方向，与固定铁磁层 磁化方向平行或反平行。 • 固定铁磁层的磁化方向受到相邻反铁磁层交换 耦合作用磁化方向被钉扎。 • 外磁场影响自由磁化层的磁化方向，使其与固 定磁化层磁化方向平行或反平行，产生低磁阻 和高磁阻。
• 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
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引言
磁电子学与自旋电子学
• 本章研究内容：什么是巨磁阻效应？ • 巨磁阻产生机理与条件、巨磁阻效应的应用 • 即， 磁电子学和自旋电子学
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目录
• • • • • • • • 引言 巨磁阻效应的发现 磁电子学 自旋极化输运 自旋电子学内涵 磁性半导体 自旋极化 自旋电子学器件及应用
Magnetic field (kG)
GMR
=
R AP − R P RP
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巨磁阻发现
效应
• 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。 • 费尔教授在 4.2K 的低溫，在(Fe/Cr)n， n = 60系统中测量得到50% 磁阻变化。 • 格林贝格尔教授則在室溫下，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 系統中测得约 10% 的磁 阻变化率。
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自旋阀（Spin valve）
• 所谓自旋阀是人为施加外磁场实现相邻磁层磁 序变化，而获得巨磁阻。 • 通过外磁场改变矫顽力较低磁层的磁化方向 • 只需要很低的外磁场驱动就可以实现磁层间磁 序改变，以制作高灵敏的器件，
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磁隧道结的研究
• 1995年Miyazaki 等发现了明 显的室温隧穿磁电阻 （TMR）效应，重新唤起研 究磁隧道结的兴趣。 • 已经提出几种基于TMR的磁 随机存储器原型 (Parkin, 1999; Tehrani, 2000)。 • 下一代读出磁头（read head）预计将采用MTJ代替 CIP 巨磁阻。
(Wang et al., 2002).
XIDIAN506ຫໍສະໝຸດ AB自旋相关电导铁磁体过渡金属
不同自旋取向 s d 跃迁概率不相等: → 巨磁阻 s↑ →d↑ ≠ s↓ →d↓ ρ↓ (ρ ↓ − ρ ↑ ) β = α = ⇒ρ↑ ≠ ρ↓ ρ↑ (ρ ↑ + ρ ↓ ) ⇒电导率自旋非对称性 Fermi能级处态密度的非对称性: N ↑(EF) ≠ N ↓ (EF) ⇒ 自旋极化