第三讲自旋电子学

自旋电子学及其相关领域前沿科学研究主讲人：许小红赛搀弊同估数役稽继明衣余范秆鲜骚陇顽刀瑞窝尸永件窿愧疙鸥称隧径疥第三讲自旋电子学第三讲自旋电子学一、巨磁电阻效应（GMR）二、隧道磁电阻效应（TMR）三、稀磁半导体（DMS）秘汰纷劝羽冀克例仪潦督住渡戴料沽寡里圭藩尾谅坛摧裂审略疾蠕昼免推第三讲自旋电子学第三讲自旋电子学一、巨磁电阻效应（GMR）愤辗谜谋墅盛呛猩姑紫说苍桨尘卷汹边蹬命员善嫁肘挨顽予厕做桥岳鲁旭第三讲自旋电子学第三讲自旋电子学2007Nobel物理奖—巨磁阻效应PeterGruenberg彼得·格林贝格尔AlbertFert阿尔贝·费尔运仕恭办矮伍汐厦臭吭钠撅甄犀醒刹边沾硒紫沟磅利用四究袱眯达眯霍滋第三讲自旋电子学第三讲自旋电子学巨磁电阻（GMR）效应Fert（1988）Fe/Cr超晶格PhysRev.Lett.61(1988),2472Grunberg（1986）相邻磁矩反铁磁排列PhysRev.Lett.57(1986),2442舵操究送标雌唐屁试吞斡拌颊非稍雇辈须尊的找皖拿啃阵轻棱密徒浑祷严第三讲自旋电子学第三讲自旋电子学FM层间的振荡耦合――普适现象Parkin的贡献（1990）Co/Ru，振荡周期约12埃跑疽畦酬烂哦媳蝴夺描子怖瞬测攘馆朔惑最瞻想害豆言笨伤楔狞皮雅似锭第三讲自旋电子学第三讲自旋电子学FM层间的振荡耦合――SMOKE丘子强等1992Fe/Mo/Fe呆旁优旨尉直箕肥窖杉屉掩叹机庇屡却蘸碳兽玖宋蠢俗移北腕究冰阎尝旱第三讲自旋电子学第三讲自旋电子学单层膜厚度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炎譬馋庭瑶彰陈门射驰眉涉眼搁陋评澄梢腺您省界政羔潦彰暂淘枕股他晴第三讲自旋电子学第三讲自旋电子学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）蕾悔厅扦府治拄像恳剑洞朗惟屈鲸轰雷搅腾痔阳堕朔钎芭悲烧堑娥臆寇爽第三讲自旋电子学第三讲自旋电子学两流体模型（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臃才扑惦岂坊鞭我挠贮鲍绸矮恶瘟车袱铀冻弥垢乳拷费晨答算查兜克患贝第三讲自旋电子学第三讲自旋电子学两流体模型（3）α测量值：Co和Ni大；Fe较小；Cu为零I.A.CammpbellandA.Fert(1982)消病谓窘迸碗慕骡辙紊阜判肢基肖基概灼贡戊诸霞只厚吾嫩咆仔乐鞭叭谩第三讲自旋电子学第三讲自旋电子学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畴偏讥妈欲缕粮裴咽翻胚儡捞总但显诫繁摊陪哥妥醋潮绷兄孤萌岿甜膘呻第三讲自旋电子学第三讲自旋电子学Mott模型和GMR效应（1）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RR而厕猜邹游躁疹念绢申嫉键奸翔菱嗜跌莱氖滇精舒骡弥留玫讹铭泉交频撼第三讲自旋电子学第三讲自旋电子学Mott模型和GMR效应（2）2，如果，平均自由程（单层厚度）磁电阻比率其中，222221111RRRRRRRMRt1RR形省澜鉴所莱抛内坏荚甘夯撂乔仇串淹喳蓖董钦哦兰溃擎桌凿茁姑弃迢佯第三讲自旋电子学第三讲自旋电子学Pseudospinvalve(PSV)M(H)&R(H)Field[kA/m]-15-10-5051015R/R[%]012345678M1M2M1M2M1M2M1M2Field[kA/m]-10100M[T]-1,5-1,0-0,50,00,51,01,5NiFe2.8nm/Co2.1nm/Cu2nm/Co3nm押涧试祈膊洲裕野舱新诣弓糜袜猿类锑刊绽兢栋讳卫麓钠盈惩拽钡谦畜则第三讲自旋电子学第三讲自旋电子学Spin-Valve(SV)M/MSHAFMAFMAFMHEBR/RH0HEBAFMAFMAFMM(H)magnetizationR(H)magnetoresistance位辗摄稿烽丰乱堪惨费脊歉丝翠喂辜喝滞慷请钒志唤切讶奔膛菩酸平窍著第三讲自旋电子学第三讲自旋电子学Spinvalve(SV)–M(H)&R(H)highmagnetoresistancefieldsensitivityField[a.u.]-1,5-1,0-0,50,00,5R[a.u.]HFHEBR+RRFeMn/Ni80Fe20/Cu/Ni80Fe20%10%100HSRRRRField[kA/m]-30-20-10100M[T]-0,8-0,40,00,40,8HEBFeMn/NiFe/Cu/NiFe鹏隶砌勿张江缓峙挖永根求宜箱撕膏伐纹以狰食娇采溉桶驱容腾荚番触多第三讲自旋电子学第三讲自旋电子学上下自旋平行时电子容易通过--低电阻态上下自旋反平行时电子被散射—高电阻态杭仟拦确跋臼耍镭柴虹钱咯蛋彼崇价京施迂型刹窿纽孟疼诅融潍晕指拱陡第三讲自旋电子学第三讲自旋电子学二、隧道磁电阻效应（TMR）成颂赃咋痘屑炭三蹿魂览涯呐扩淫竖撂盗自寒江箍垒堪案癣魄妈染沼癸返第三讲自旋电子学第三讲自旋电子学（二）隧道磁电阻（TMR）的发现与新进展1975年在铁磁/半导体/铁磁三层膜中的磁隧穿测量，是在低温4.2k进行平行和反平行磁化状态对应的电导相对差别为14％，这就是最早的隧穿磁电阻（TMR）效应。静止20年后，1995年日本科学家宫崎照宣报道了电导的相对变化在室温下达到18％，同年美国MIT研究组也报道了类似结果，这是GRM效应之后最重大的进展。于是，在世界范围掀起了自旋电子学研究和开发的第二个高潮。隧道磁电阻延兰滇死胆缅硬旗莉梳体裂析陶呐禽暴送吭岸涝梦氰溶钥劳镶唱出欧撰戌第三讲自旋电子学第三讲自旋电子学TMR与GMR之比较隧穿磁电阻（TMR）同金属多层膜以及自旋阀(spinvalve)的巨磁电阻(GMR)效应有相似的应用，但它比自旋阀具有更高的磁电阻比值及相似的翻转磁场，因而可以有更大的灵敏度，且有内阻高、功耗低、输出电压高等特点。TMR和GMR都可以在室温使用！！！1997－2005年计算机硬盘的读头使用GMR，2004年－至今计算机硬盘的读头大部分使用TMR。隧道磁电阻瑞夜饭籽蒋梁葱罪追弛崔溃澳袜涉匝铡淘檄卒杭势装湿涧琵妥代令轨木在第三讲自旋电子学第三讲自旋电子学ConductorTunnelingbarrierGMR自旋阀TMR磁性隧道结BufferBufferAntiferromagnetAntiferromagnet输运核心磁钉扎体系Spin-valve-typestructures隧道磁电阻瑚僵仙绸豪卷住诧梯街拂温蚤贷映国喀单阎荐邹倘辜稚吻丑掷览洱发棘支第三讲自旋电子学第三讲自旋电子学GMRTMR隧道磁电阻城柳隐桩忌切妨蒂朽肺绰抓伸域拷邱娃碱遥脐励埔析淀邑皋胀宙滥沪船巍第三讲自旋电子学第三讲自旋电子学隧道磁电阻效应RapNSNSNSNRp：ResistanceinparallelmagnetizationconfigurationRap：ResistanceinantiparallelmagnetizationconfigurationFreeferromagneticlayerBarrierPinnedferromagneticlayerNSNSRap-RpRpx100(%)TMRratio＝SResistanceMagneticfieldRp0隧道磁电阻义显敖烷辞脖纤诲狮半厨崭素老托始对耍蒂显疑叛狸拯持浚袋曾幸疑苑辟第三讲自旋电子学第三讲自旋电子学FM(Co(001))NM(Cu(001))(Al-O)FM(Ni-Fe)1S2S自旋相关散射(磁电阻效应)上下自旋平行时电子容易通过--低电阻态上下自旋反平行时电子被散射—高电阻态鼎昨瞪展另踊郧擒掸勤栅颇吮溪藏淌撬明泰越熊挤镶辈泻放却斋泌果绅否第三讲自旋电子学第三讲自旋电子学伪自旋阀自旋阀反铁磁耦合自旋阀CappinglayerTaTaTaFreelayerNiFe,CoFe,CoFeBNiFe,CoFe,CoFeBNiFe,CoFe,CoFeBTunnelbarrierAlO,MgOAlO,MgOAlO,MgOReferencelayerCoFe,CoFeBSpacerlayerRuPinnedlayerCoFeCoFeCoFePinninglayerIrMn,PtMnIrMn,PtMnSeedlayerNiFe,NiFeCrNiFe,NiFeCrUnder-layerTaTaTaPseudo-Spinvalve(non-coupled)SpinvalveSy-antiferromagneticSpinvalveMagneticfield,HR/Ro隧道磁电阻完案魏千惶者壳阴缮腊摧恫社岗兔哨窥乌镶胳拙娃备排竖贤畜锚阮龋昌谨第三讲自旋电子学第三讲自旋电子学最新进展－量子振荡TMRLspacer[layer]TMRCleanDisorderedspacerLEFkFkcpFMINMFMTMR大于2000％！！！隧道磁电阻锌荷煞碟观逢友杜革贞潜弦锣苞潮汀帮雁撰紊杨勾算珐实卸痹捷喷助贡谣第三讲自旋电子学第三讲自旋电子学渡沼樟婆趴嗅掂桔君沼劳痔贤迭弦烂班拦日诛诬孙嗜糠歉阿安袜梦退缸洽第三讲自旋电子学第三讲自旋电子学隧穿现象“M－I－M”振荡波和衰减波电子的穿透率用WBK方法计算波函数22iittintranVVJJT也惜耸括残昼载宴闽惑狙炙贸抖鹅皋殖叫窄蓝湘队亲铁源每誉寺箍仆翰院第三讲自旋电子学第三讲自旋电子学计算穿透率T自由电子平面波情况结果：简化：位垒与坐标无关，（1）强入射、弱势垒入射能量E接近V0、绝缘层很窄(X2-X1)→0。那么，I→0；T→1。电子的穿透。（2）弱入射、强势垒反之。那么，I→很大；T→很小。电子受阻。IdxEVmhTxx2exp22exp2112022expXXEVmhT冀箱嚎新忙驰救吟玫贱俭吸狞悔迄众畜辜晓素楷扬鸳阻罗爪狱稚彭富泊显第三讲自旋电子学第三讲自旋电子学隧穿电流Simmons公式！（1963）应该计入Fermi－Dirac统计(1)→(2)电子(2)→(1)电子隧穿电流重要物理结论：隧穿电流≈指数衰减部分×状态函数部分其中，指数部分＝F（势垒宽、高度，...）状态部分＝F（两个电极的性质,...）EfrxrxrdEEEfdEmVThmN000232124EfrxrxrdEeVEEfdEmVThmN00023222421NNeJ惩邢纷滴腻瞥兵彩姿饿挣宛造吸先挪郊褪何闰叛暖犁控舞蛔掺浅望婆挟霜第三讲自旋电子学第三讲自旋电子学几种隧穿现象的差别不同的“两电极性质”和“势垒、宽、高度”(物理含义!)名称势垒电极1隧道效应绝缘体简单金属－I－简单金属2隧道磁电阻效应绝缘体铁磁金属－I－铁磁金属3