颜老师课件自旋电子学2014

颜世申山东大学物理学院2014.03.20自旋电子学简介一、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、我们的实验室内容提要PeterGrünberg---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。AlbertFert---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。2007年诺贝尔物理学奖自旋自旋电子的电荷与自旋电子电荷自旋191.6021010exc291.1653010/sMxWbm电子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。自旋极化度NNPNN实验结果：材料NiCoFeNi80Fe20Co50Fe50Co84Fe16自旋极化度(％)334544485149N↑和N↓在费密面自旋向上和向下的电子数。磁化方向自旋极化电流3d4sP=45%P=100%Ef铁磁体低温下电子弹性散射的平均时间间隔10-13秒；-平均自由程10nm。非弹性散射的平均时间间隔10-11秒；相位干涉长度1m。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100m。室温下自旋扩散长度钴铁FeNi金银铜铝自旋向上↑5.5nm1.5nm4.6nm自旋向下↓0.6nm2.1nm0.6nm1-10m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。自旋极化的电子输运sdThermallyactivatedcoherentPhasechangeprecessionRecordingstabilitySuperparamagneticlimit极慢DomainwallmotionGilbertdampingGHzdataratePrecessionalswitchingSpin-latticerelaxationLaser-induced(de)magnetizationCoherentdynamics各种磁过程的时间尺度100yrYrhrsmsμsnspsfs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磁性半导体Science294(2001)1488.半金属一、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、我们的实验室内容提要1.产生大的交换偏置场--HE2.钉扎铁磁层的矫顽力小--Hc3.反铁磁层厚度要薄4.温度稳定性要好5.热处理工艺简单，宽容度大常用的反铁磁材料:NiMnFeMnIrMnPtMn反铁磁层通过交换耦合对近邻铁磁层起钉扎作用1.交换偏置—反铁磁/铁磁界面FreeFMConductingspacerorinsulatingbarrierPinnedFMAntiferromagnetHMHE2.Fe/Cr/Fe三明治结构的层间反铁磁耦合Phys.Rev.Lett.57(1986)2442Unguris.etal.Phys.Rev.Lett.67(1991)140FeFeCr∼1nm反铁磁耦合与振荡效应的实验证明FeFeCrP.Grünberget.al.Baibich,A.Fertet.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)CIPCPP1994年Pratt和Levy垂直多层膜的GMR(CPP)，比CIP高4倍的变化Phys.Rev.Lett.66(1991)3060--------70(1993)33433.巨磁电阻(GMR)Phys.Rev.Lett.61(1988)2472磁化强度平行，RP电阻小磁化强度反平行，RAP电阻大RPRPRPRPRAPRAPRAPRAP二流体模型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-平均自由程短巨磁电阻效应的解释CuCo%%APPPRRMRR(Fe/Cr)n的R/R0磁电阻随周期数n的增加而增大Parkin.etal.Phys.Rev.Lett.64(1990)2304∆R/R(％)随Cr厚度变化的振荡关系↑↑↑↑↑↑↑↓↑↓↑↓饱和磁场随Cr层厚度变化的振荡关系↑↓↑↓1990年Parkinetal多层膜的交换耦合振荡和巨磁电阻振荡1020304051015Crthickness(Å)SaturationField(kOe)饱和磁场随Cr层厚度变化的振荡关系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J.Appl.Phys.69(1991)4774-400-300-200-10001002003004000246MR(%)H(Oe)Co/Cu/Co/FeMnMR=7%反铁磁层钉扎铁磁层自由铁磁层SiKoui.etal和Huaietal8th.JointMMM-IntermagConference2001纳米氧化层NOL(Nanooxidelayer)∆R/R=15％(10％)-20246810121416-600-400-2000200400600H(Oe)MR(%)NOL15%8%纳米氧化层增强自旋阀磁电阻GMR的部分应用反铁磁层铁磁层1铁磁层2非磁性层•硬盘读出磁头•GMR隔离器•传感器•GMR-typeMRAM(Honeywell公司曾制作出1Mb的MRAM,估计军方是唯一用户)CompassingGlobalPositionSystemsVehicleDetectionNavigationRotationalDisplacementPositionSensingCurrentSensingCommunicationProducts通信产品TheWorldofMagneticSensors罗盘全球定位车辆检测导航位置传感器电流传感器转动位移4.隧穿磁电阻TMR1975年Julliere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)2251982年Maekawa等在Ni/NiO/Ni，(Fe、Co)等发现磁隧道电阻效应IEEETrans.Magn.18(1982)7071995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。Al2O3FeFeAl2O3FeFeJ.Magn.Magn.Mater.139(1995)L231----151(1995)403↑↑↑↑↑↑↑↓↑↓↓↓↓↓↓↑↓↑Fe/Al2O3/Fe电阻隧磁场变化Fe/Al2O3/Fe磁滞回线Al2O3为绝缘层的磁穿道电阻自旋极化度NNPNNN↑和N↓分别表示在费密面自旋向上和向下的电子数。121221PPTMRPP↑↑电阻RP小↑↓电阻RAP大隧穿磁电阻的解释量子隧道效应示意图(Fe/Al2O3/Fe)APPPRRTMRRTMR反铁磁钉扎主流材料—IrMn、PtMnIrMnPhilipsresearchPtMnWestVirginiaU.&IBM适合SV、AlOx-MTJ与硬盘记录读头处理温度：250～300CRu5/Cu10NiFe5IrMn12CoFeB4Al2O31.2CoFeB6Ru5正常钉扎型TMR人工反铁磁耦合材料—CoFe-Ru-CoFeB人工反铁磁耦合钉扎PhysRevB72(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，磁路封闭正常人工Ru5/Cu10NiFe5IrMn12CoFe4Ru0.8CoFeB4Al2O31.3CoFeB4NiFe5Ru5RKKY作用人工反铁磁反铁磁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。多数电子和少数电子在费米面附近态密度完全不同。结构模型Mg1oFe[010][100][110]2[100]FeMgO多数电子和少数电子在费米面附近态密度大体相同。1）MgO界面附近的Fe在费米面附近的态密度2）Fe界面附近的MgO在费米面附近的态密度计算：多数电子少数电子W.H.Butler,P.R.B63,054461(2001)3）计算Fe/MgO/Fe(k//=0)隧道态密度TDOS多数电子少数电子磁矩平行磁矩反平行对于k//=0Fe(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。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%。理论预言TMR可达到1000％TMR实验：相干自旋极化隧穿的Fe/MgO/Fe隧道结S.YuasaJpnJApplphys43,L588(2004)MgO(001)基片Fe(001)MgO(001)2nmFe(001)3x12m2超过Al2O3非晶势垒(TMR~70%)室温：TMR=88%写入读出位线字线写线写线位线字线WWLRWLGNDBLMTJCMOS磁性隧道结的应用—磁记录头，MRAMMotorolaMTJMRAMstructureMRAM与现行各存储器的比较（F为特征尺寸）技术DRAMFLASHSRAMMRAM容量密度256GB256GB180MB/cm2256GB速度150MHz150MHz913MHz500MHz单元尺寸25F2/bit2F2/bit2F2/bit联接时间10ns10ns1.1ns2ns写入时间10ns10s10ns擦除时间1ns10s10ns保持时间2.4s10years无穷循环使用次数无穷105无穷无穷工作电压(V)0.5-0.6V5V0.6-0.5V1V开关电压0.2V5V50mVMRAMDRAMFLASH5.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稀磁半导体材料掺杂元素磁矩(B)居里温度(K)参考文献GaNMn9%0.9940TiO2Co7%1.4650-700Shindeetal(2003)Fe2%2.4300Wangetal(2003)SnO2Fe5%1.8610Coeyetal（2004）Co5%7.5650Ogaleetal(2003)ZnOFe5%Cu%0.75550Hanetal(2002)Co10%2280-300Uedaetal(2001)Son0daetal(2002)Diluteferromagneticoxides;TCRT相变：铁磁、金属―顺磁、绝缘体32.08.0MnOSrLa6.庞磁电阻Mn3+与Mn4+交换电子两次跃迁过程：氧离子电子→Mn4＋Mn3+eg电子→氧离子绝缘→金属转变庞磁电阻机理—双交换作用模型外磁场使相邻格点局域自旋间夹角减小，增加跃迁概率，从而增加电导(减小电阻),产生CMR。拓扑绝缘体理想的能带结构。其费米能级位于块材的带隙，该带隙被拓扑保护的表面量子态所填满。拓扑绝缘体表面的自旋-轨道耦合7.拓扑绝缘体材料与物理机理Topologicalphasetransition.(A)High-resolutionARPESdispersionmapsalongthe-