颜老师课件自旋电子学2014

Dilute ferromagnetic oxides; TC > RT
材料 GaN TiO2 掺杂元素 Mn 9% Co 7% Fe 2% SnO2 Fe 5% Co 5% 磁
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%)
磁性隧道结的应用—磁记录头，MRAM
Motorola MTJ MRAM structure
位线
位线
BL
写线 写线
MTJ
字线
读出
字线
写入
CMOS
Fe Fe
↑↑ ↑↑ ↑↑
↑↓
↑↓
Al2O3
Fe/Al2O3/Fe电阻隧磁场变化
↓↓ ↓↑
Fe
↓↑
Al2O3 Fe
↓↓
J.Magn.Magn.Mater.139(1995)L231----151(1995)403
Fe/Al2O3/Fe磁滞回线
隧穿磁电阻的解释 (Fe/Al2O3/Fe)
↑↑ 电阻RP小 ↑↓ 电阻RAP大
FLASH
MRAM
MRAM与现行各存储器的比较（F为特征尺寸）
>256 GB
>500 MHz 2 F2/bit <2 ns <10 ns <10 ns 无穷 无穷 <1 V
无穷 0.6-0.5 V
<50 mV
5. 高自旋极化率材料：半金属材料和稀磁半导体

混合价钙钛矿CMR
稀 磁 半 导 体

稀 磁 半 导 体
电子
自 旋
电荷 电子 自旋
e 1.60210 x1019 c
M s 1.16530x1029Wb / m
在半导体材料中有电子和空穴两种载流子 极化电子有自旋向上和向下的两种载流子
电子的自旋极化
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，表现出自旋极化。
自旋电子学简介
颜世申
山东大学物理学院 2014.03.20
内容提要
一、序言--电子的电荷与自旋 二、自旋电子学的几个重要发现 层间反铁磁耦合、巨磁电阻、隧穿磁电阻、半金属、 磁性半导体、拓扑绝缘体、自旋霍尔效应 三、电子自旋注入半导体 四、硬盘垂直磁存储技术 五、几种激烈竞争的存储技术 六、我们的研究工作 七、我们的实验室
10 8 6 4 2 0 -2
15% 8%
NOL(Nanooxide layer)
Koui.et al和Huai et al 8th.Joint MMM-Intermag Conference2001
-600
-400
-200
0 H ( Oe )
200
400
600
∆R/R=15％ ( >10％ )
GMR的部分应用
人工反铁磁
Ru0.8 CoFe4
人工
反铁磁
IrMn12 NiFe5 Ru5/Cu10
正常钉扎型
人工反铁磁耦合钉扎
Phys Rev B 72 (2005) 054419
改善钉扎层的交换偏置场,自由层翻转一致 非常好，锰扩散不到钉扎铁磁层，磁路封闭
Fe/MgO/Fe隧道结的TMR理论预言
用第一性原理计算隧道电导和磁电导
Thermally activated
s
ms μs ns ps fs
precession
coherent
先进材料的奇异物性和电子自旋密切相关
铁磁材料
庞磁阻材料
半金属材料 磁性半导体 高温超导体 重费米子材料 自旋霍尔效应
Science 294 (2001) 1488.
磁性半导体
半金属
内容提要
一、序言--电子的电荷与自旋 二、自旋电子学的几个重要发现 层间反铁磁耦合、巨磁电阻、隧穿磁电阻、半金属、 磁性半导体、拓扑绝缘体、自旋霍尔效应 三、电子自旋注入半导体 四、硬盘垂直磁存储技术 五、几种激烈竞争的存储技术 六、我们的研究工作 七、我们的实验室
结构模型
W. H. Butler, P.R.B 63,054461 (2001)
2） Fe界面附近的MgO在费米面 附近的态密度
计算： 1） MgO界面附近的Fe在
费米面附近的态密度
多数电子
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。
Fe
少数电子
•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)
反铁磁层 铁磁层 1 非磁性层 铁磁层 2
The World of Magnetic Sensors
Compassing
罗盘
全球定位
Global Position Systems
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
1982年
Maekawa等
在Ni/NiO/Ni，(Fe、Co)等发现磁隧道电阻效应
IEEE Trans.Magn.18(1982)707
Al2O3为绝缘层的磁穿道电阻
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。
Phys.Rev.Lett.66(1991)3060--------70(1993)3343
巨磁电阻效应的解释
Co Cu
自旋电子极化方向平行磁化强度方向-平均自由程长 自旋电子极化方向反平行磁化强度方向-平均自由程短
RAP RAP RP RAP
二流体模型
RP RP RAP RP
磁化强度平行，RP电阻小
WWL GND RWL
MRAM
技术 容量密度 速度 单元尺寸 联接时间 写入时间 擦除时间 保持时间 循环使用次数 工作电压(V) 开关电压 DRAM 256 GB 150 MHz 25 F2/bit 10 ns 10 ns <1 ns 2.4 s 无穷 0.5-0.6 V 0.2 V
DRAM
FLASH 256 GB 150 MHz 2 F2/bit 10 ns 10 s 10 s 10 years 105 5V 5V SRAM 180 MB/cm2 913 MHz 1.1 ns
1. 交换偏置— 反铁磁/铁磁界面
Free FM
反铁磁层通过交换 耦合对近邻铁磁层 起钉扎作用
1. 产生大的交换偏置场--HE 2. 钉扎铁磁层的矫顽力小--Hc 3. 反铁磁层厚度要薄 4. 温度稳定性要好
Conducting spacer or insulating barrier Pinned FM
自旋极化的电子输运
sd
-平均自由程10nm。 相位干涉长度1m。
低温下电子弹性散射的平均时间间隔10-13 秒； 非弹性散射的平均时间间隔10-11 秒； 极化电子自旋保持原有极化方向
的平均间隔时间10-9 秒。
sd-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
J.Appl.Phys.69(1991)4774
反铁磁层 钉扎铁磁层 自由铁磁层
Si
MR=7 %
Co/Cu/Co/FeMn
6
MR(%)
4
2
0 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400
H(Oe)
纳米氧化层增强自旋阀磁电阻
16 14 12
NOL
纳米氧化层
MR ( % )
Antiferromagnet
M
H
5. 热处理工艺简单，宽容度大
常用的反铁磁材料: NiMn FeMn IrMn
HE
PtMn
2. Fe/Cr/Fe 三明治结构的层间反铁磁耦合
Fe
Cr
Fe
Fe Cr∼1nm Fe
Phys.Rev.Lett. 57 (1986) 2442
反铁磁耦合与振荡效应的实验证明 Unguris.et al.Phys.Rev.Lett.67(1991)140
↑↓Biblioteka ↑↑↑↓ ↑↑↑↓
↑↑
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的增加而增大
Parkin.et al.Phys.Rev.Lett.64(1990)2304
GMR自旋阀
1990年 Shinjo 两种不同矫顽力铁磁层的自旋阀结构
1991年
Dieny
用反铁磁层钉扎一层铁磁层的自旋阀结构
磁化强度反平行，RAP电阻大
RAP RP MR% % RP
1990年Parkin et al 多层膜的交换耦合振荡和巨磁电阻振荡
↑↓
Saturation Field (kOe) 15
10
5
↑↓
30 40
10
20 Cr thickness (Å)
饱和磁场随Cr层厚度变化的振荡关系
∆R/R(％)随Cr厚度变化的振荡关系
车辆检测
Vehicle Detection
Navigation
导航
Rotational 转动 Displacement 位移
位置传感器
Position Sensing
Current Sensing
电流传感器
Communication Products 通信产品
4. 隧穿磁电阻TMR
1975年
Julliere
磁 化 方 向
3d 4s
P=45%
铁磁体
自旋极化电流
N N P 自旋极化度 N N
N↑和N↓在费密面自旋向上和向下的电子数。
P=100%

实验结果：
材料 自旋极化度(％) Ni 33 Co 45 Fe 44 Ni80Fe20 Co50Fe50 48 51 49
Ef
Co84Fe16
IrMn
Philips research
PtMn
West Virginia U. & IBM
TMR人工反铁磁耦合材料—CoFe-Ru- CoFeB
RKKY作用
正常
Ru5 NiFe5 Ru5 CoFeB4
CoFeB 6
Al2O3 1.2 CoFeB4 IrMn12 NiFe5 Ru5/Cu10
Al2O3 1.3 CoFeB4
1
2
[100] Fe
o
Mg
[010]
[100]
[110] MgO
多数电子和少数电子在费米 面 附近态密度完全不同。
多数电子和少数电子在费米 面 附近态密度大体相同。
3）计算 Fe/MgO/Fe(k//=0) 隧道态密度TDOS
多数电子
磁矩平行
少数电子
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%。
量子隧道效应示意图
N N 自旋极化度 P N N
TMR
2 PP 1 2 1 PP 1 2
N↑和N↓分别表示在费密面自旋向上和向下的电子数。
RAP RP TMR RP
TMR反铁磁钉扎主流材料 —IrMn、PtMn
适合SV、AlOx-MTJ与硬盘记录读头
处理温度：250～300C
P. Grü nberg et.al.
3. 巨磁电阻(GMR)
Phys. Rev. Lett. 61 (1988) 2472
Baibich,A. Fert et.al (Fe/Cr)多层膜的巨磁电阻
金属多层膜的巨磁电阻
反铁磁耦合(H=0)
CPP CIP 1994年 Pratt和Levy 垂直多层膜的GMR(CPP)，比CIP高4倍的变化
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。
各种磁过程的时间尺度
100 yr Yr hr
Recording stability 极慢 Superparamagnetic limit Domain wall motion GHz data rate Gilbert damping Precessional switching Spin-lattice relaxation Laser-induced (de)magnetization Coherent dynamics Phase change
磁矩反平行
理论预言TMR可达到 1000％
对于k//=0 Fe(100)有四个布洛赫态：
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。
TMR 实验：相干自旋极化隧穿的Fe/MgO/Fe隧道结
S.Yuasa Jpn J Appl phys 43, L588 (2004)
2007年诺贝尔物理学奖
Albert Fert---费尔
1938年3月7日出。1988年，他发现巨磁电 阻效应，随后对自旋电子学作出过许多杰 出贡献。
Peter Grünberg---克鲁伯格
1939年5月18日出生。1988年，他在尤利西 研究中心研究并发现巨磁电阻效应。
电子的电荷与自旋
自 旋