Ch2-巨磁电阻(GMR)效应本节内容

Ch2，巨磁电阻（GMR）效应本节内容1，振荡的层间耦合（1986）2，金属量子阱中的自旋极化3，GMR效应（1988）重点：Mott的两流体模型1，层间耦合问题的提出？相邻FM层间的耦合作用与中间NM分隔层的厚度有关？多层膜中的电子的本征状态？Grunberg(1986）布里渊散射Fe/Cr/FeFM层间的振荡耦合――普适现象Parkin的贡献（1990）Co/Ru，振荡周期约12埃Co/Cu“困扰”FM层间的振荡耦合――直接观察（SEMPA）Unguiris等(1991)Fe单晶/Cr尖劈/Fe薄膜FM层间的振荡耦合――SMOKE丘子强等1992Fe/Mo/FeFM层间的振荡耦合――VSM阎明朗等1994，NiFe/Mo/NiFe2，多层膜中，电子的状态真空中的金属薄膜行波――平行方向电子连续谱E（k//）=k//2驻波――垂直方向电子分立谱E(k⊥)波函数是由包络函数调制的快振荡的Bloch函数Bloch函数的波长＝2a（a晶格常数）包络函数波长由薄膜厚度决定。（厚度是半波长整数倍）薄膜上的量子阱态铁磁金属薄膜（自旋极化的）量子阱s－d散射机制薄膜Cu（100）在fccCo（100）基底上自旋极化的光发射谱（下左图）能带结构图（下右图）层间耦合的理论•计算不同的NM厚度、不同的自旋状态的总能量。•比较哪个磁状态有利？•总能量→库仑作用→DOS→波函数→非磁层厚度、铁磁层自旋状态。•注意：长程静磁（偶极）耦合！交换作用（1）氢分子三重态或单态←交换作用符号←电子云（波函数）的重叠情况←电子波函数性质（2）RKKY作用铁磁或反铁磁态←交换作用的振荡←f电子自旋之间，通过s电子间接交换作用←f电子局域波函数＋s电子平面波波函数振荡周期决定于s电子Fermi波长铁磁金属量子阱FM/NM/FM中，铁磁层间的振荡耦合铁磁FM层之间的耦合能量，随非磁层厚度增加而振荡振荡周期（波矢）为（与自由电子气比较）各种3d、4d金属的结果相近？11—12A反铁磁金属量子阱AFM/NM/AFM蔡健旺等NiFe/FeMn/Cu/FeMn困难：反铁磁体的“磁化特性”方法：交换偏置表征振荡周期：加倍（21A)10203040500102030405060Exchangebias(Oe)ThicknessofCuspacer(A)28A26A第二次（11月10日）上一次的内容（1）FM/NM多层膜中，相邻FM层之间的耦合随NM层厚度变化→振荡衰减（2）单层厚度为若干纳米（3）NM层中电子处于“磁性量子阱”问题（1）多层膜的磁滞回线？答：a，M―H关系：H之下，体系的磁化状态由总自由能量极小条件确定c，FM排列时，外场能＋磁晶各向异性能（几个奥）d，反铁磁排列时，外场能＋磁晶各向异性能（几个奥）＋层间反铁磁耦合能（几百奥）问题2单层膜厚度t的限制金属：t（≈2nm）《λ(≈20nm)《Ls(≈200nm）a，增大分子。需远小于”自旋弛豫长度“。两流体近似。b，减小分母。需远小于”平均自由程“。弹性散射。*平均自由程λ（10－30纳米）自旋弛豫长度Ls（100－500纳米）00)(RRRMRH巨磁电阻（GMR）效应Fert（1988）Fe/Cr超晶格？Grunberg（1986）相邻磁矩反铁磁排列MBE优质材料Mott两流体模型(1)N.H.Mott,Proc.Roy.Soc.A153,699(1936)近似：电子与（热激发）自旋波散射可以忽略，（低于居里点）只考虑电子与磁性离子自旋间的散射。（s－d散射）约定：与磁矩同方向的电子处于主要子带（majority）相反方向自旋电子处于次要子带（minority）两流体模型（2）散射过程中没有自旋反转S↑电子未被d↑（majority）电子散射，对电导贡献大（d↑在Fermi面没有状态)S↓电子被d↓(minority)电子散射，对电导贡献小(d↓有效质量太大)结果：电导的自旋相关因子1两流体模型（3）α测量值：Co和Ni大；Fe较小；Cu为零I.A.CammpbellandA.Fert(1982)Mott两流体模型(4)计入Spin－flip散射（热自旋波散射），高温电阻率低温电阻率（Spin－flip散射）4][0Mott模型和GMR效应(1)Mott模型和GMR效应（2）按Mott模型（看上图）1，电子自旋与所在层磁矩相同时，s电子与（Majority）d电子散射弱，电子自旋与所在层磁矩相反时，s电子与（Minority）d电子散射强。RRRRMott模型和GMR效应（3）2，如果，平均自由程（单层厚度）磁电阻比率其中，111RRR4RRR222221111RRRRRRRMRt1RR结束