自旋电子学第二讲

第二讲自旋电子材料性能及制备文岐业微固学院（215）室[e-mail]•自然界的物质分为顺磁性物质抗磁性物质铁磁性物质铁磁性物质剩磁(Br)：HmBmBrmHOHc-HcABBCDEF磁滞现象：矫顽磁场强度（矫顽磁力Hc）：当外加磁场H减小到零时，铁磁体的磁化状态并不恢复到零，而是保留一个剩余磁感应强度Brm值，这种现象称为磁滞现象。磁滞回线：当B值降到零时的外加磁场强度（Hc）称为矫顽磁场强度。（简称矫顽磁力)铁磁性材料及其性质磁学现象与磁性qm-qmHHNS基本磁学量•磁荷总是成对出现：磁极双元•对磁体也是一样，总是存在两个磁极，N极和S极；磁化方向：铁磁性材料可以沿同一方向充磁至饱和，这一方向叫做“磁化方向”。沿磁体不同方向磁化至饱和的难易程度是不同的。对每种铁磁体都存在一个所需能量最小和最大的方向，前者称易磁化方向，后者称难磁化方向。通过施加反向的磁场，可以改变材料的磁化方向；改变磁化方向所需要的磁场大小叫做矫顽场或者矫顽力；第一节磁电阻现象和自旋电子材料•自旋电子的输运受到不同的散射，因此出现不同的电阻机制，磁电阻现象是自旋输运最直接的宏观体现•由磁场引起电阻变化的现象称为磁致电阻或磁电阻效应（Magnetoresistance,MR）磁阻效应在铁磁体中，由于外磁场的作用而导致的电阻机制有很多种，其中包括：•Ordinarymagnetoresistance(OMR)－普通磁电阻•Anisotropicmagnetoresistance(AMR)－各项异性•Giantmagnetoresistance(GMR)－巨磁电阻（巨磁阻）•Tunnelingmagnetoresistance(TMR)－隧道磁电阻•Ballisticmagnetoresistance(BMR)－弹道磁电阻•Colossalmagnetoresistance(CMR)－庞磁电阻We’lllookbrieflyatthephysicstakingplaceinsomeofthese.巨磁阻效应巨磁阻效应是指当铁磁性和非磁性金属按某种方式交替组合成的材料在足够强的磁场中时电阻突然巨幅下降的现象。如果相邻铁磁性材料中的磁化方向平行时，电阻会变得很低；而当磁化方向相反的时候电阻则会变得很大。电阻值的这种变化是由于不同自旋的电子在多层膜材料中散射性质不同而造成的。AlbertFertPeterGrünberg1988由法国Paris-Sud大学的AlbertFert以及德国尤里希研究中心的PeterGrünberg发现.需要铁磁和非磁性金属交替构成的纳米结构.来自于自旋电子的自旋相关散射效应早期人们为了理解超导体的零电阻现象，1934年戈特（C.J.corter）和卡西米尔（H.B.G.Casimir）提出一个二流体模型。即,金属处于超导态时,共有化的自由电子分为两部分:一部分叫正常电子nn,占总数的nn/ｎ;另一部分叫超流电子ns，占总数的ns／n，这里ｎ＝nn＋ns.两部分电子占据同一体积，在空间上相互渗透，彼此独立地运动，两种电子相对的数目是温度的函数。1936年,Mott将二流体模型扩展到铁磁性金属。认为TTc时,两种电子之间的“自旋翻转”可以忽略。近似地，总电阻是独立的两种自旋电子流的电阻值。ρ＝（ρ↑×ρ↓）/（ρ↑＋ρ↓）。铁磁金属的Fermi面附近，s-与d-电子共存。散射几率“自旋极化”。二流体模型纳米磁性多层膜中巨磁阻效应的产生机制.①当自旋电子在纳米磁性多层膜中输运时,其所受到的散射强度会因为其自旋方向的不同而不同,这叫做电子的自旋相关散射,它是产生巨磁阻效应的根本原因.②根据mott二流体模型,自旋向上和自旋向下电子可以看作是在同一个空间的两个相对独立的通道中输运,其电导相当于两个通道电导的并联.纳米磁性多层膜中巨磁阻效应的产生机制③在磁性多层膜中,当相邻铁磁层的磁化强度矢量反平行排列时,无论是自旋向上还是自旋向下电子,都会遭受较强的散射,因此总体来说,系统的电阻较高。而当相邻铁磁层的磁化强度矢量平行排列时,一个自旋态的电子遭受很强的散射，但是另一个自旋态的电子却受到非常弱的散射,相当于构成了一个短路，因此总体来说系统为低电阻态。所以，通过外加磁场改变铁磁多层膜的磁化状态，就可以得到磁阻的巨大变化，这就是巨磁电阻效应IVs2巨磁阻效应的测试四探针法RKKYOscillationinGMRmultilayersS.S.P.Parkin.PRL.,66,2152(1991)巨磁阻效应随隔离层厚度变化而振荡变化的现象。反铁磁交换耦合铁磁交换耦合巨磁阻效应的重要特性典型效应大小:10-50%.界面效应是影响GMR效应的关键因素.典型的工作磁场范围：由改变相邻铁磁层的相对取向所需的磁场决定。通常设置在一个较低的磁场以便于实际操作.相邻铁磁层之间的耦合随着隔离层的厚度变化。而震荡变化。铁磁性耦合和反铁磁性耦合交替出现。薄膜层厚和粗糙度必须要考虑.在低温下具有更大的巨磁阻效应。因为这时候其他散射（自旋无关的散射）对电阻的贡献小了。所以自旋相关散射效应增强。典型器件结构多层膜巨磁阻系统如何应用？实际上应用的都是自旋阀结构（Spinvalve）-3000-2000-100001000200030002.702.65Resistance(K)AppliedField(Oe)2.60TypicalMRcurveofSpinvalve自旋阀(Spinvalve,SV)典型器件结构由铁磁层（自由层）/非磁性层(隔离层)/铁磁层（被钉扎层）/反铁磁层组成传导电子发生自旋相关散射；隔离层厚度小于电子自旋扩散长度。自由层隔离层被钉扎层满足条件：WhySpinValve？工作磁场小(Typicallessthan100Oe)相对较大的磁电阻效应(5-20%)制备工艺简单，操作稳定磁场灵敏度高（可作为传感器）抑制巴克豪森噪声，信噪比高被应用于大多数现有的自旋电子器件中自旋阀(Spinvalve,SV)典型器件结构自旋阀(Spinvalve,SV)典型器件结构赝自旋阀(pseudospinvalve,PSV)-300-200-10001002000.00.51.01.52.02.53.03.54.0MR(%)H(Oe)＋－＋－典型器件结构指标磁性多层膜自旋阀巨磁阻产生机理电子自旋相关散射电子自旋相关散射有效结构纳米多层膜（几十个周期的三层膜）三层膜制备过程复杂简单巨磁阻效应(室温)--100%5-20%工作磁场几KOe10-30Oe灵敏度低高实用性低高应用情况传感器传感器、磁头、存储器巨磁电阻效应电子的自旋输运特性是磁性纳米结构中存在的现象是一种典型的量子效应FeCrFeRKKYOscillationinGMRmultilayersS.S.P.Parkin.PRL.,66,2152(1991)DefinitionofGMR•GMR(%)=(RAP-RP)/RPRAP:反平行磁结构时的电阻RP:平行磁结构时的电阻OriginofGMRParallelAntiparallel两个通道(莫特模型)电导率:不同的电导率散射:电子自旋与磁化方向反平行时强；电子自旋与磁化方向反平行时弱；22PreparationofGMRMaterials分子束外延（MBE）Ultra-highvacuumAtomicthicknesscontrolIn-situAnalysisArtificialstructureNoblephenomenaOthertechniques:Sputter,PulseLaserDeposition,…诺贝尔奖评审委员会在宣布物理奖归属时说，这是一次“好奇心导致的发现”。但其随后的应用却是革命性的，因为它使得计算机硬盘的容量从几十兆、几百兆，一跃而提高了几百倍，达到几十G乃至上百G（1G等于1024兆）。在每一台电脑中，都流动着这个物理效应的“幽灵”。磁盘存储技术的原则，是利用每个存储点上的磁场方向代表二进制的0或1，要读取这些数据，需要电极扫过这个磁场；由于磁阻效应，磁场会引起电极电阻的改变，从而改变电流的强度，电极输出电流的高低，就代表了0或1。在磁场作用下，磁性金属内部电子自旋方向发生改变而导致电阻改变的现象，被称为磁阻效应。这种效应，早在1857年就被英国的开尔文勋爵发现。不过，这种改变的幅度并不大，通常只在1％到2％之间。因此，在巨磁阻效应被发现之前，存储数据所需要的磁场要保持一定的强度，数据点不能做的太小，磁盘容量受到很大限制。第二节.隧道巨磁电阻效应超导隧道结的发现在理论和实验上均有重要的价值。受此启发1975年Julliere对Fe/Ge/Co磁性隧道结输运性质的研究作了开拓性的研究，发现隧道阻抗随铁磁层的磁化状态而变化，低温下电导的相对变化可达14%。1975年后人们对类似结构中的磁电阻效应进行了研究，但在室温下均不能获得较大的磁电阻效应。在GMR效应全球研究浪潮推动下，1994年在“磁性金属/非磁绝缘体/磁性金属”（FM/I/FM）型隧道结Fe/Al2O3/Fe中获得了突破性进展。4.2K低温下，磁电阻变化率高达30%，室温下达18%。AMR/GMR/TMRAMRSpinValveSpinTunnelMRRatio:2~3%10%20~50%Density:~5Gb/in^2~60Gb/in^2~80Gb/in^2SingleMagneticLayerNon-MagneticMetalLayerInsulationLayerCurrentDirectionLeadLeadMagneticLayerLeadLeadMagneticLayerLeadMagneticLayerMagneticLayerLeadTMR的电流方向是垂直于器件平面TMRStructureHMBiasTMRPiledBiasTMR•EarlyStudies–Jullière,Phys.Rev.Lett.,54A,225(1975)–Miyazakiet.al:J.MMM,139,L231,1995.–Moodera,et.alPhys.Rev.Lett.74,3273,(1995)MagneticTunnelJunction(MTJ)EEEEIFMFMAFMSubstrate在铁磁层/绝缘层/铁磁层构成的“隧道结”中，如果两铁磁层的磁化方向平行，一个铁磁层中多数自旋子带的电子将进入另一个电极中的多数自旋子带的空态，同时少数自旋子带的电子也从一电极进入另一电极的少数自旋子带的空态；如果两电极的磁化方向反平行，则一个电极中的多数子带的自旋与另一个电极的少数自旋子带电子的自旋平行，这样，隧道电导过程中一个电极中多数自旋子带的电子必须在另一个电极中寻找少数自旋子带的空态，因而其隧道电导必须与两极的磁化方向平行时的电导有所差别，将隧道电导与铁磁电极的磁化方向相关的现象称为磁隧道阀效应（magneticvalveeffect）。通过磁场改变两层电极的磁化方向，就会引起隧道电阻的变化，称为隧道巨磁电阻效应。隧道巨磁电阻效应产生机理TunnelingMagnetoresistanceA2)DetailstructureonTuMRBasicalTuMRstructuresarebufferlayer=NiCrorTa/NiCrAFM=IrMnPinnedlayers=CoFe/Ru/CoFeBarrier=Al2O3Freelayers=CoFe/NiFeCaplayer=Ru/TaMG2=TiorRuP.S.Diagramnotdrawninscale隧道磁电阻效应典型特性典型效应大小:30~100%.与多层膜巨磁阻一样，依赖于铁磁性材料的自旋极化率.注意该系统的磁化方向与电流方向没有直接的联系.典型的工作磁场范围：由改变相邻铁磁层的相对取向所需的磁场决定。通常设置在一个较低的磁场以便于实际操作.•界面质量极为关键–如果不对界面的的磁性能多大量的实验和优化，很