低温固态物理第五章-“磁电阻效应”

第五章磁电阻效应近几年，以磁电子或自旋电子作为关键词的文章频频出现在国际顶尖的刊物上。基于磁电子材料研制的自旋阀被认为是2002年度国际十大成果之一。基于多学科(凝聚态物理、电子学、信息科学、材料科学和纳米科技)的交叉，一门崭新的学科－磁电子学已初见端倪，并因在磁传感器、磁记录及信息存储和处理等领域显示出广阔的应用前景而备受关注。§5.1引言传统电子学或半导体电子学，其基本原理是：以电子的电荷作为输运载体，借助电场操纵电荷以调制材料中的导电行为电子器件的小型化、电路芯片的大容量或存储信息的高密度化推动传统电子学向微电子学发展目前超大规模集成电路芯片的线宽～130纳米，估计在今后15至20年内，线宽将减小至10纳米左右。问题微电子器件能否无限地被小型化？Moore第一定律芯片容量每三年增加4倍！电子电荷属性在数十纳米量级PN结无法形成，二极管、三极管也就无法正常工作。当源、漏极间沟道长度减小到数十纳米以后，场强迅速增加，电子在强电场的作用下将使器件雪崩击穿，因此场效应晶体管也将无法正常工作。随着器件密度的提高，单位面积的发热将变得异常巨大，据估计芯片每平方厘米每秒钟的发热量将相当于发射一颗子弹器件尺寸的小型化，将逐渐步入所谓的受介观体系物理支配的领域，呈现一系列量子相干效应，从而导致某些经典物理定律的失效！成本Moore第二定律集成电路的加工费每三年增加2倍的速率增大！经济上大到无法承受的程度！工艺物理电子存储器微电子器件自旋电荷半导体铁磁性材料现代信息技术1921年，斯特恩――盖拉赫实验揭示出电子具有自旋的内禀属性利用电子自旋（磁矩）可做成各类存储器电子自旋属性20世纪物理或器件的研制多数情况下是将电荷和自旋这两个属性分开考虑磁电子磁有序(自旋)电子输运(电荷)磁场20世纪物理或器件的研制多数情况下是将电荷和自旋这两个属性分开考虑控制和利用随微电子器件小型化所带来的严重问题，人们自然会提出可否对电子的电荷和自旋同时控制和利用？借助磁场在操纵自旋相对取向的同时也调制了系统的导电行为，从而达到对电子电荷和自旋的同时控制和利用磁电子材料在电子自旋和电荷间存在强的关联性触发了磁电子学或自旋电子学的诞生磁电阻效应指的是外加磁场引起材料电阻的变化()%100%(,)(,0)(,0)THTHMRTHρρρ×−=≡=加磁场的电阻率不加磁场时的电阻率§5.2磁电阻效应(Ｍagnetoresistanceeffect简称MR)历史上，MR值仅为1～3%的磁电阻曾经在磁记录和传感器等领域取得过辉煌的成就。磁电阻种类OMR：与洛伦兹力有关的正常磁电阻(OrdinaryMR)AMR：与技术磁化相联系的各向异性磁电阻(AnisotropicMR)CMR：锰基钙钛矿氧化物中庞磁电阻(colossalMR)GMR：磁性多层膜中自旋散射有关的巨磁电阻（GiantMR）TMR：磁性多层膜中隧穿有关的磁电阻(TunnelMR)从大小和产生机理的不同可分为自旋相关……电荷相关磁电子学诞生SMR：自旋散射有关的磁电阻(Spin-dependentMR)特点存在于所有的导体中反映的是电子的电荷特性而与自旋无关磁场引起导体电阻的增加，即MR0Rμ0H(T)～B2～1%01§5.3正常磁电阻两种情况若费米面为球形，且参与导电的电子来自同一能带，在这种情况下，不会出现磁电阻效应，因为电子感受到的洛伦玆力为霍尔力所抵消，不会出现因洛伦玆力的作用而使其运动轨迹发生改变。电子速度、有效质量与方向和能量有关，因此，仅部分电子的运动满足洛伦玆力与霍尔场力的平衡，而其余的电子因洛伦玆力作用使得运动轨迹发生偏转，在这种情况下，磁场引起电阻的增加，且没有饱和现象。情况一费米面非严格球形洛伦玆力的作用使得电子运动轨迹发生偏转起因参与导电的电子来自不同的能带情况二例如：参与导电的电子来自两个能带，这样就有两组不同有效质量和不同速度的载流子在这种情况下，不会出现洛伦玆力与霍尔场力相抵消的情况。其结果是，外加磁场下，电子因洛伦玆力作用而发生运动轨迹的偏转，引起电阻增加。()21020112221020()ccMRσσωτωτσσ=−+0≥总是两带模型给出,ciBω∝由于而21122,()ccMRωτωτ∝−2,MRB∝0(/)MRFBρ=由于MR仅为ωτ的函数，而01,Bωτρ∝∝因此MR仅仅是的函数，即0BρＭＲ0存在于磁性金属如Fe，Co，Ni及其合金中μ0H(T)0⊥||～1%R1231857年由Thomson在铁磁多晶体中发现§5.4各向异性磁电阻磁电阻依赖于磁化和电流之间的相对取向特点起因导电电子的自旋和它在磁场中运动轨道之间存在相互作用，样品的磁化破坏了电子云，因此改变了电子自旋与轨道的散射，导致了各向异性导电θρρρ2cos)0()(Δ+==HH其中θ为电流相对于磁化方向的夹角可见：电流平行于磁化方向的电阻率(ρ//,θ＝0)不同于电流垂直于磁化方向的电阻率(ρ⊥,θ=π/2))规律坡莫合金Δρ/ρ0～3％，用于录音机和摄像机的记录磁头§5.5..自旋散射有关的磁电阻自旋散射有关的磁电阻非磁金属电导率费米面附近电子散射的驰豫时间散射矩阵元的绝对值。费米面能态密度。明显地，式中的物理量均与电子自旋是无关的2*/mneρτ=21~~[()]FlVgEτ−因此，在非磁性金属中，电子的输运与电子的自旋无关铁磁金属通常定义自旋极化度为↑↓↑↓N-NP=N+NN↑和N↓分别表示自旋向上和向下的电子数，D↑和D↓分别表示自旋向上和向下子带的态密度材料NiCoFeNi80Fe20Co50Fe50Co84Fe16自旋极化度(％)334544485149例如当温度低于居里温度时，交换作用使得能带劈列成自旋向上和自旋向下的两个子带DD↑↓↑↓-DP=+D或ρ↓ρ↑EFU电导率电导率σσσστρ2*/enm=↓=↑,σ12)]([~~−FEgVlσσσστ由于能带中的电子浓度、有效质量、散射的驰豫时间、电子运动的平均自由程以及费米面附近的电子态密度均与电子自旋的取向有关，因此，在过渡族金属及其合金中的电阻率应与电子自旋的取向有关。高阻态：自旋取向无序；低阻态：自旋铁磁性取向磁场可部分引起自旋铁磁性取向，导致电阻率变小，从而铁磁金属及其合金可表现出负磁电阻效应在以§5.5巨磁电阻铁磁金属铁磁金属非磁金属层Giantmagnetoresistance简称GMR三明治为基本结构单元的多层膜中观察到～20-30％的磁电阻，远高于当时已有的磁电阻，为区别起见，人们将如此大的磁电阻称之为巨磁电阻1986年德国Grunberg教授首先在Fe/Cr/Fe多层膜中观察到有交换作用且当Cr的厚度适当时观察到反铁磁层间藕合重要的发展过程随后发现，金属多层膜中铁磁金属间不仅存在耦合，而且随中间层厚度的变化耦合既可能是铁磁的也可能是反铁磁的，呈现周期性振荡，振荡周期约为1nm巨磁电阻1988年法国Fert小组在[Fe/Cr]周期性多层膜中观察到外加磁场引起电阻下降变化率高达50％，第一次出现GMR名词重要的发展过程20世纪90年代，人们在Fe/Cu，Fe/Al，Fe/Al，Fe/Au，Co/Cu，Co/Ag和Co/Au等多层膜中观察到更高的GMR，而且随中间层厚度的变化昀大MR值呈现周期性振荡，振荡周期和行为非常接近多层膜中的磁耦合振荡1994年IBM公司基于GMR成功研制出读出磁头，将磁盘记录密度提高了17倍，达5Gbit/in2，目前的报道为11Gbit/in2，从而在与光盘竞争中磁盘重新处于领先地位特点MR幅值巨大负磁电阻效应，即各向同性0MR正常金属和铁磁合金MR约为百分之几，而Fe/Gr多层膜MR高达50％MR与I和H的相对取向无关或基本无关层间交换耦合能FM1FM2NMM1M2θ考虑两铁磁金属FM1和FM2中间夹有非磁金属NM假设FM1的磁化强度为M1,其磁矩取向如箭头所示FM2的磁化强度为M2,其磁矩取向如箭头所示两者之间的夹角为θFM1FM2NMM1M2θ因为FM和NM都是金属，故存在大量传导电子，它们处于整个系统内的运动状态中以m表示某个传导电子的自旋磁矩，当它位于FM1时会受到由M1形成的分子场的作用，作用能为111hMα=1mh−i根据能量最小原理可知，当m处于FM1时，其平均值m1平行于h1，从而平行于M1当它经由NM运动到FM2中，则到达时m1方向不变但大小将会变化，设其变为m121m12m222hMα=这m12又会与FM2中的分子场发生作用，作用能为212mh−icosθ∝同样当电子从FM2运动到FM1时也会产生作用能221cosmhθ−∝i所有这样的作用能之和与膜面积之比称之为层间交换耦合能，记为E(θ)1()cosEJθθ=−12112MMJMM=−iFM1FM2NMM1M2θ层间交换耦合能1()cosEJθθ=−决定磁构型(即两铁磁体磁矩取向)的能量项J10J10θ=0,即两铁磁体磁矩平行时E(θ)昀低，即磁构型为铁磁型的(FM)θ=π,即两铁磁体磁矩反平行时E(θ)昀低，即磁构型为反铁磁型的(AFM)J1是中间层厚度的函数，即11()JJd=J1的幅值随厚度增加而衰减，J1的符号随厚度按正、负交替变化，变化周期为～1nm其物理起因至今尚未有共识两种载流子：自旋向上和自旋向下电子，分别独立地承载电流GMR的起因迄今，比较令人接受的涉及ＧＭＲ效应起因的模型是基于电子自旋有关散射提出的交换作用使得能带自旋向上和自旋向下的两个子带自旋与磁化方向平行的电子传输过程中散射小，而反平行的电子受到的散射大未加磁场:两铁磁金属的磁矩反平行，AFM磁构型(θ＝π)外加磁场:磁场使得θ减小，当超过饱和场时，两铁磁金属的磁矩变成平行取向，FM磁构型(θ=0)薄膜中的磁矩方向电子自旋方向FMNMFM()()/4RRRθπ↑↓==+总电阻为两者的并联：未加磁场:AFM磁构型考虑其中之一的铁磁金属膜，自旋与磁化方向平行的电子传输过程中不受散射，而反平行的电子将受到散射，假设自旋向上和向下的电子通道的电阻分别为R↑和R↓，则两种通道的电阻近似为它们的平均，即(R↑+R↓)/2同理对另外一铁磁金属膜，电阻为(R↑+R↓)/2薄膜中的磁矩方向电子自旋方向FMNMFM当加了外磁场后，两个相邻铁磁层磁化方向相互平行(0)/()RRRRRθ↑↓↑↓==+外加磁场:FM磁构型自旋和磁化方向平行的电子散射小，低阻状态，而自旋与磁化反平行的电子散射大，高阻状态。总电阻是它们的并联，即：()(0)(0)RHRMRR−=得到22()/()MRRRRR↑↓↑↓=−−+0MR由令描述散射的自旋依赖性/RRα↓↑=则有22(1)/(1)MRαα=−−+可见一般情况下，α很大，MR高达百分之几十，特别当100%MRα→∞→()(0)(0)RRRθπθθ=−===§5.6隧穿磁电阻Tunnelingmagnetoresistance简称TMR隧穿效应经典:眼前无路好回头0aV(x)xV0入射波+反射波透射波电子能穿透比它动能更高的势垒，是因为它具有波动性的特性，势垒穿透的波动图象如图两个导体被一个薄的绝缘层隔开，电子可以借助于隧道机理通过势垒层从一边到另一边，从而形成可测量的电流，这一效应称为隧穿效应量子:眼前无路穿着走222mVse−∝隧穿几率在以铁磁金属铁磁金属绝缘层三明治为基本结构单元的多层膜中观察到与电子在相邻铁磁金属间隧穿有关的磁电阻效应，称之为隧穿磁电阻隧穿磁电阻重要的发展过程7070年代初年代初,,TedrowTedrow和和MeservyMeservy利用利用““超导体超导体//非磁绝缘体非磁绝缘体//铁磁铁磁金属金属””隧道结隧道结验证了隧穿电流是自旋极化的验证了隧穿电流是自旋极化的44年后年后SlonczewskiSlonczewski提出：以铁磁金属取代超导体提出：以铁磁金属取代超导体,,当两铁磁层当两铁磁层磁化方向平行和反平行时，磁化方向平行和反平行时，FM/I/FMFM/I/FM隧道结具有不同的电阻值隧道结具有不同的电阻值19751975年年JulliereJulliere在在Fe/Fe/