自旋电子学第二讲

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E
FM I FM AFM Substrate
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E
隧道巨磁电阻效应产生机理
在铁磁层/绝缘层/铁磁层构成的“隧道结”中，如果两铁磁 层的磁化方向平行，一个铁磁层中多数自旋子带的电子将进 入另一个电极中的多数自旋子带的空态，同时少数自旋子带 的电子也从一电极进入另一电极的少数自旋子带的空态； 如果两电极的磁化方向反平行，则一个电极中的多数子带的 自旋与另一个电极的少数自旋子带电子的自旋平行，这样， 隧道电导过程中一个电极中多数自旋子带的电子必须在另一 个电极中寻找少数自旋子带的空态，因而其隧道电导必须与 两极的磁化方向平行时的电导有所差别，将隧道电导与铁磁 电极的磁化方向相关的现象称为磁隧道阀效应（magnetic valve effect）。 通过磁场改变两层电极的磁化方向，就会引起隧道电阻的变 化，称为隧道巨磁电阻效应。
巨磁阻效应
巨磁阻效应是指当铁磁性和非磁性金属按某种方式交替组合成的材 料在足够强的磁场中时电阻突然巨幅下降的现象。如果相邻铁磁性材料 中的磁化方向平行时，电阻会变得很低；而当磁化方向相反的时候电阻 则会变得很大。电阻值的这种变化是由于不同自旋的电子在多层膜材料 中散射性质不同而造成的。
Albert Fert
Peter Grünber
1988由法国Paris-Sud大学的Albert Fert以及德国尤里希研究中心的 Peter Grünberg发现. 需要铁磁和非磁性金属交替构成的纳米结构. 来自于自旋电子的自旋相关散射效应
二流体模型
早 期 人 们 为 了 理 解 超 导 体 的 零 电 阻 现 象 ， 1934 年 戈 特 （ C.J.corter ）和卡西米尔（ H.B.G.Casimir）提出一个二流体 模型。即, 金属处于超导态时, 共有化的自由电子分为两部分: 一部分叫正常电子nn, 占总数的nn/ｎ; 另一部分叫超流电子ns， 占总数的 ns ／ n ，这里ｎ＝nn ＋ ns. 两部分电子占据同一体积， 在空间上相互渗透，彼此独立地运动，两种电子相对的数目是 温度的函数。 1936年, Mott将二流体模型扩展到铁磁性金属。认为T<<Tc时, 两种电子之间的“自旋翻转”可以忽略。 近似地，总电阻是 独立的两种自旋电子流的电阻值。ρ＝（ρ↑× ρ↓）/（ρ↑＋ ρ↓）。 铁磁金属的Fermi面附近，s-与d-电子共存。散射几率 “自旋 极化”。
纳米磁性多层膜中巨磁阻效应的产生机制.
① 当自旋电子在纳米磁性多层膜中输运时,其所受到的散 射强度会因为其自旋方向的不同而不同,这叫做电子的 自旋相关散射,它是产生巨磁阻效应的根本原因.
② 根据mott二流体模型,自旋向上和自旋向下电子可以 看作是在同一个空间的两个相对独立的通道中输运,其 电导相当于两个通道电导的并联.
• Ordinary magnetoresistance (OMR)－普通磁电阻 • Anisotropic magnetoresistance (AMR)－各项异性 • Giant magnetoresistance (GMR)－巨磁电阻（巨磁阻） • Tunneling magnetoresistance (TMR)－隧道磁电阻 • Ballistic magnetoresistance (BMR)－弹道磁电阻 • Colossal magnetoresistance (CMR)－庞磁电阻 We’ll look briefly at the physics taking place in some of these.
磁化方向：铁磁性材料可以沿同一方向充磁至饱和，这 一方向叫做“磁化方向”。沿磁体不同方向磁化至饱和的 难易程度是不同的。对每种铁磁体都存在一个所需能量最 小和最大的方向，前者称易磁化方向，后者称难磁化方向。
通过施加反向的磁场，可以改变材料的磁化方向；改变 磁化方向所需要的磁场大小叫做矫顽场或者矫顽力；
TMR 的电流方向是垂直于器件平面
TMR Structure
HM Bias TMR
Piled Bias TMR
Magnetic Tunnel Junction (MTJ)
• Early Studies
– Jullière, Phys. Rev. Lett., 54A, 225 (1975) – Miyazaki et.al: J. MMM, 139, L231, 1995. – Moodera, et. alPhys. Rev. Lett. 74, 3273, (1995)
第二节. 隧道巨磁电阻效应
超导隧道结的发现在理论和实验上均有重要的价值。受 此启发1975年Julliere对Fe/Ge/Co磁性隧道结输运性质 的研究作了开拓性的研究，发现隧道阻抗随铁磁层的磁 化状态而变化，低温下电导的相对变化可达14%。 1975年后人们对类似结构中的磁电阻效应进行了研究， 但在室温下均不能获得较大的磁电阻效应。 在GMR效应全球研究浪潮推动下，1994年在“磁性金属 /非磁绝缘体/磁性金属”（FM/I/FM）型隧道结 Fe/Al2O3/Fe中获得了突破性进展。4.2K低温下，磁电 阻变化率高达30%，室温下达18%。
第一节 磁电阻现象和自旋电子材料
• 由磁场引起电阻变化的现象称为磁致电阻或磁电 阻效应（Magnetoresistance,MR） • 自旋电子的输运受到不同的散射，因此出现不同 的电阻机制，磁电阻现象是自旋输运最直接的宏 观体现
磁阻效应
在铁磁体中，由于外磁场的作用而导致的电阻机制有很多种， 其中包括：
纳米磁性多层膜中巨磁阻效应的产生 机制
③ 在磁性多层膜中,当相邻铁磁层的磁化强度矢量反平行排列时, 无论是自旋向上还是自旋向下电子,都会遭受较强的散射,因此 总体来说,系统的电阻较高。而当相邻铁磁层的磁化强度矢量 平行排列时,一个自旋态的电子遭受很强的散射，但是另一个 自旋态的电子却受到非常弱的散射,相当于构成了一个短路， 因此总体来说系统为低电阻态。
2
Preparation of GMR Materials
分子束外延（MBE）
Ultra-high vacuum Atomic thickness control In-situ Analysis Artificial structure Noble phenomena

Other techniques: Sputter, Pulse Laser Deposition,…
Definition of GMR
• GMR(%) = (RAP-RP)/RP
RAP: 反平行磁结构时的电阻 RP : 平行磁结构时的电阻
Origin of GMR

两个通道(莫特模型)

电导率: 不同的电导率
Parallel
Antiparallel

散射 :


电子自旋与磁化方向反平 行时强； 电子自旋与磁化方向反平 行时弱；
-100
0
100
200
H(Oe)
＋ －
－ ＋
指标
巨磁阻产生机理 有效结构 制备过程 巨磁阻效应(室温) 工作磁场 灵敏度 实用性
磁性多层膜
自旋阀
电子自旋相关散射 电子自旋相关散射 纳米多层膜（几十 三层膜 个周期的三层膜） 复杂 --100% 几KOe 低 低 简单 5-20% 10-30Oe 高 高
被应用于大多数现有的自旋电子器件中
典型器件结构
自旋阀(Spin valve, SV)
典型器件结构
自旋阀(Spin valve, SV)
典型器件结构
赝自旋阀(pseudo spin valve, PSV)
4.0 3.5 3.0 2.5
MR(%)
2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 -300
-200
AMR/GMR/TMR
AMR Lead Lead Lead Spin Valve Lead Spin Tunnel Lead Magnetic Layer Current Direction Magnetic Layer Magnetic Layer Non-Magnetic Metal Layer 10% ~60 Gb/in^2 Magnetic Layer Lead Single Magnetic Layer MR Ratio: 2~3% Density: ~5 Gb/in^2 Insulation Layer 20~50% ~80 Gb/in^2
诺贝尔奖评审委员会在宣布物理奖归属时说，这是一次“好 奇心导致的发现”。但其随后的应用却是革命性的，因为它使得 计算机硬盘的容量从几十兆、几百兆，一跃而提高了几百倍，达 到几十G乃至上百G（1G等于1024兆）。 在每一台电脑中，都流动着这个物理效应的“幽灵”。磁盘 存储技术的原则，是利用每个存储点上的磁场方向代表二进制的 0或1，要读取这些数据，需要电极扫过这个磁场；由于磁阻效应， 磁场会引起电极电阻的改变，从而改变电流的强度，电极输出电 流的高低，就代表了0或1。 在磁场作用下，磁性金属内部电子自旋方向发生改变而导致 电阻改变的现象，被称为磁阻效应。这种效应，早在1857年就被 英国的开尔文勋爵发现。不过，这种改变的幅度并不大，通常只 在1％到2％之间。因此，在巨磁阻效应被发现之前，存储数据所 需要的磁场要保持一定的强度，数据点不能做的太小，磁盘容量 受到很大限制。
第二讲 自旋电子材料性能及制备
文岐业 微固学院（215）室 qywen@163.com
铁磁性材料及其性质
B
Br m Bm B A
当外加磁场H减小到零 • 时，铁磁体的磁化状态并不 自然界的物质分为 当B值降到零时的外 恢复到零，而是保留一个剩 顺磁性物质 加磁场强度（ Hc）称为 余磁感应强度Brm值，这种
应用情况
传感器
传感器、磁头、存 储器
巨磁电阻效应 电子的自旋输运特性 是磁性纳米结构中存在的现象 是一种典型的量子效应
Fe Cr Fe
RKKY Oscillation in GMR multilayers
S. S. P. Parkin. PRL., 66, 2152 (1991)
所以，通过外加磁场 改变铁磁多层膜的磁化 状态，就可以得到磁阻 的巨大变化，这就是巨 磁电阻效应
巨磁阻效应的测试
四探针法
V 2s I
巨磁阻效应随隔离层厚度变化而振荡变化的现象。
RKKY Oscillation in GMR multilayers
S. S. P. Parkin. PRL., 66, 2152 (1991)
反铁磁交换耦合
铁磁交换耦合
巨磁阻效应的重要特性
典型效应大小: 10-50%. 界面效应是影响GMR效应的关键因素. 典型的工作磁场范围：由改变相邻铁磁层的相 对取向所需的磁场决定。通常设置在一个较低 的磁场以便于实际操作. 相邻铁磁层之间的耦合随着隔离层的厚度变化。 而震荡变化。铁磁性耦合和反铁磁性耦合交替 出现。 薄膜层厚和粗糙度必须要考虑. 在低温下具有更大的巨磁阻效应。因为这时候 其他散射（自旋无关的散射）对电阻的贡献小 了。所以自旋相关散射效应增强。
典型器件结构
多层膜巨磁阻系统如何应用？实际上应用的都是自旋 阀结构（Spin valve）
典型器件结构
自旋阀(Spin valve, SV)
由铁磁层（自由层）/非磁性层(隔离层)/铁磁层（被钉扎层）/反铁磁层组成
满足条件： 传导电子发生自旋相关散射；
隔离层厚度小于电子自旋扩散长度。
2.70
被钉扎层 隔离层 自由层
Resistance (K)
2.65
2.60
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
Applied Field (Oe)
Typical MR curve of Spin valve
Why Spin Valve？
工作磁场小(Typical less than 100 Oe) 相对较大的磁电阻效应(5-20%) 制备工艺简单，操作稳定 磁场灵敏度高（可作为传感器） 抑制巴克豪森噪声，信噪比高
抗磁性物质 矫顽磁场强度 。 现象称为磁滞现象。 铁磁性物质) 铁磁性物质 （简称 矫顽磁力
-Hc C
O
Hc F Hm
H
剩磁 (Br )： 磁滞现象：
矫顽磁场强度（矫顽磁力Hc）：
D
E
磁滞回线：
磁学现象与磁性
基Fra Baidu bibliotek磁学量
•磁荷总是成对出现：磁极双元 N S H qm -qm H
•对磁体也是一样，总是存在两个磁极， N极和S极；