自旋电子学发展

自旋电子学原理及其发展近况自旋电子学的形成及其发展两个历史性突破各种磁电阻和巨大磁电阻巨磁电阻的基本原理和发现的背景主讲：丁格格两个历史性突破第一个历史性突破———巨磁电阻的发现电子具有电荷和自旋两种属性，而传统电子器件忽略了电子自旋特性。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，即巨磁电阻——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自旋电子学的诞生两个历史性突破第二个历史性突破——自旋动量转移（STT）I.1996年，Slonczewski和Berger首先给出了自旋力矩转移的理论预言，并很快地得到了实验证实。II.自古以来，理论和实践都认为，只有磁场才能使磁矩改变方向，使铁磁体改变其磁性。所以电流能引起磁化这一发现，无疑使几千年来物理的另一个历史性的突破。III.在微电子学中有一个长期的技术困难，即磁场的植入，产生磁场的器件难以微型化。因此，电流直接引起磁化提出了解决这一难题的崭新途径。自旋电子学的形成及其发展两个历史性突破各种磁电阻和巨大磁电阻巨磁电阻的基本原理和发现的背景各种磁电阻和巨大磁电阻各向异性磁电阻（AMR）I.磁电阻的相对比值MR可表示为：MR=Δ𝑅𝑅=(𝑅𝐻-𝑅0)/𝑅0𝑅𝐻和𝑅0分别为磁场作用下和磁场为零时的电阻。II.AMR来源于铁磁体磁畴中轨道自旋耦合效应导致的电阻率的各向异性。磁畴的电阻率依赖于电流方向与磁畴中磁化方向的夹角。铁磁体的电阻率为所用磁畴电阻率的平均值。III.AMR被发现100多年以来一直只作为一个物理性能来研究，而未获应用。直至20世纪70年代才进入传感器市场，用于机械运动的自动控制。90年代初，AMR读出头取代了灵敏度较低的感应式磁头，使硬盘的记录密度每年以60%的速度增长，获得了重大效益。各种磁电阻和巨大磁电阻正常磁电阻I.正常磁电阻来源于磁场使运动的传导电子发生回旋运动。磁场总是使电阻增加，称为正常磁电阻（OMR）。II.OMR各个方向的磁电阻均大于0，且常，OMR约正比与磁场H的平方。实际上，铁磁金属除有AMR外，也有非常微弱的OMR。III.20世纪60~70年代半导体OMR器件进入传感器市场，后发现AMR传感器与之竞争。MRMR各种磁电阻和巨大磁电阻巨磁电阻1988年，法国Fert教授和德国Grunberg教授分别独立地发现了Fe/Cr纳米多层膜中的巨磁电阻（GMR）。各种磁电阻和巨大磁电阻巨磁电阻巨磁电阻具有三个特点：I.饱和MR值可达很大的数值；II.多数情况MR常为负值，磁场使电阻降低；III.饱和MR值与磁场的方向无关。巨磁电阻电阻比的表达式：MR=∆𝑅𝑅=(𝑅𝐻−𝑅0)/𝑅𝐻各种磁电阻和巨大磁电阻巨磁电阻人们想到，既然在铁磁/非铁磁金属多层膜中发现巨磁。那由铁磁与非铁磁金属组成的颗粒合金是否有巨磁电阻？答案是肯定的。在Fe、Co、Ni及其合金的纳米颗粒分散在Cu、Ag、Au基质中形成的颗粒合金系也观察到GMR效益。在退磁状态下由于磁性颗粒的𝑀𝑠为混乱分布，具有较高的电阻。磁场使其饱和磁化时，电阻下降，有与多层膜相似的负值GMR。虽然颗粒合金易于制造，但因饱和场高，未获得重要应用。各种磁电阻和巨大磁电阻隧道结磁电阻I.磁性隧道结（MTJ）是由金属铁磁体和绝缘体交替组成的纳米多层结构。有效的结构为三层，即铁磁金属/绝缘层/铁磁金属（FM/I/FM）。电流垂直于膜面，成为一种CPP结构。II.通常，当两铁磁层的磁化强度为反平行排列，即退磁状态时，MTJ为高电阻状态；在沿平面的磁场作用下，MTJ被磁化直至饱和，使两铁磁层的磁化强度为平行排列时，MTJ在电阻下降直至饱和，其磁电阻称为隧道结磁电阻或隧道电阻，称为JMR。各种磁电阻和巨大磁电阻庞磁电阻I.巨磁电阻发现以后在块材中也发现了巨大的磁电阻，以钙钛矿型锰氧化物最有代表性，被称为庞磁电阻（CMR），其MR值竟高达106%。II.但庞磁电阻需要低温和强磁场，这成为实用化的难点，引起了许多研究，迄今尚未能实现实用化。但庞磁电阻材料有丰富的物理问题，这些问题引起人们的重视。自旋电子学的形成及其发展两个历史性突破各种磁电阻和巨大磁电阻巨磁电阻的基本原理和发现的背景巨磁电阻的基本原理和发现的背景铁磁金属的导电和自旋相关导电的基本原理I.发现巨磁电阻的背景之一是对过渡金属导电机制的长期基础研究的积累。II.对金属导电有贡献的只是费米面附近的电子，在电场作用下它们可以进入能量较高的能级，获得漂移速度，成为电流。过渡金属的特殊之处在于原子的3d和4s能级均扩展为金属中共有的3d和4s能带，且两者有重叠。巨磁电阻的基本原理和发现的背景多层膜中的层间反铁磁交换耦合与巨磁电阻的发现右图为多层膜中自旋相关散射的双通道模型示意图。（b）图为零场下反磁铁耦合导致的M=0的高阻态，每个通道中高阻态和低阻态相互串联。（a）图相应于磁场使多层膜饱和磁化，各层M平行，为低阻态。两通道中低阻通道起了短路作用。（a）（b）巨磁电阻的基本原理和发现的背景发现巨磁电阻的物质基础——纳米技术的发展I.只有集成电路和磁记录单元发展到纳米尺寸时，才引起对高灵敏度传感器和读出头以及高磁电阻的要求；另外，没有近代制备纳米结构技术的发展，观察到层间交换耦合和GMR都是不可能的。II.观察到GMR的一个重要条件是多层膜的总厚度必须小于电子自旋扩散长度𝑙𝑠.铁磁金属中的𝑙𝑠数值约为102nm的量级。因此，观察到巨磁电阻的物质技术基础是纳米技术的发展。并且，自旋电子学也是纳米科学的一部分。Thankyou！