磁电子学作业题(一)

第一次磁电子作业曹勤2012142216电信1.电子自旋的基本特征答：(1)自旋是基本粒子的固有内禀属性，性质类似于轨道角动量与轨道磁矩，并可以相互耦合，在研究电子的运动状态时，应该将自旋作为一种内禀自由度，质子和中子也都有自旋，它们的自旋角动量在任何方向的投影，与电子一样，只取量子化数值ħ/2；(2)自旋在任何方向的投影只能取量子化数值ħ/2；(3)电子的轨道磁矩与轨道角动量的比值为（-e/2mc）。2.简述自旋电子学发展历程,最新的发展趋势是什么？答：可以简单归纳为三步：巨磁电阻隧道磁电阻半导体自旋电子。自旋电子学是电子学的一个新兴领域，其英文名称为Spintronics，它是由Spin和Electronics两词合并创造出来的新名词。顾名思义，它是利用电子的自旋属性进行工作的电子学。1857年thmson发现铁磁多晶体的各向异性磁电阻效应；1971年hunt提出可以利用铁磁金属的各向异性磁电阻效应来制作磁盘系统的读出磁头；1971年tedrow等利用超导体（Al）/绝缘层（Al2O3）/铁磁金属（Ni）的隧道结测出穿越绝缘体的电流是自旋极化电流，而自旋极化电流是通过铁磁金属产生的；1973年tedrow用隧道谱法测量了Fe,Co,Ni和Gd的自旋极化率；1983年meservey发现Fe薄膜在1nm厚度时自旋极化逐渐达到饱和；1988年baibich发现巨磁组效应（ＧＭＲ）；1991年deieny用反铁磁层钉扎铁磁层构成自旋阀；1995年人们在三明治结构中观察到很大的隧道磁电阻现象（TMR）;发展趋势：磁性传感器；磁记录读出磁头；非挥发性存储器。3.解释磁性多层膜中巨磁阻效应产生的机理答：（1）多层膜是利用分子束外延或溅射技术生成的铁磁性和非铁磁性薄膜交替重叠的超晶格结构；（2）磁性多层膜中相邻磁层的磁矩在外加磁场的作用下成不同角度时,自旋向上和自旋向下的传导电子受到散射程度不同,表现出不同的阻抗这就是磁性多层膜的巨磁效应的起因；(3)当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻。4.自旋阀材料的基本结构和典型效应，解释各层的作用答：自旋阀主要由铁磁层(自由层)/隔离层(非磁性层)/铁磁层(钉扎层)/反铁磁层组成,其中AF为反铁磁层,F为铁磁层,NM为非磁性层.（巨磁阻效应）电阻随磁场的变化.未加磁场时,由于在制备自旋阀时,基片上外加一偏置磁场,两磁性层磁矩平行排列,这时自旋阀电阻小.在外加反向磁场的作用下,自由层首先发生磁化反转,两磁性层磁矩反平行排列,自旋阀电阻大.自旋阀电阻大小取决于两铁磁层磁矩(自旋)的相对取向,故称为自旋阀.自由层反转磁场由其各向异性场和通过非磁性层产生的耦合作用引起的矫顽场(Hc1)和零漂移场(Hf)决定.这里零漂移场指由钉扎层和反铁磁层引起自由层磁滞回线的漂移.当外磁场超过由反铁磁层交换耦合引起的偏置场时,钉扎层发生磁化反转,自旋阀电阻变小。为了降低饱和磁场和提高巨磁电阻效应,两铁磁层选取不同的成分.自由层选取矫顽力小的软铁磁性材料,而钉扎层选取自旋相关散射大的材料5.巨磁阻磁头(1)磁阻磁头的结构示意图,及TFI磁头和MR磁头各自的功能(2)巨磁阻磁头数据读出的工作原理答：(1)FTI磁头功能：记录；MR磁头功能：读出。(2)实用的MR读出磁头采用三层结构，一层是读取磁盘信息的MR层，一层是为MR层产生偏置场的SAL（软相邻）层，中间一层为间隔层。软相邻层负责极化电流，借着改变该层磁场相对于MR层磁场的方向，可以调整MR层电流流动的难易，提高MR磁头的灵敏度。当MR磁头掠过不同极性的小磁极时，磁阻的变化能呈现“增”和“减”两种不同状态，利用检测电路便可获得方向相反的电信号。6.平面磁记录和垂直磁记录介质(1)要求符合的条件(2)举例常见的磁记录介质材料答：①适当高的矫顽力Hc，以提高存储信息的密度和抗干扰性；②高的饱和磁化强度4πMs,以提高输出信息强度;②高的剩磁比Mr/Ms(Mr为剩余磁化强度),以提高信息记录效率和减小自退磁效应;③陡直的磁滞回线,以提高记存信息分辨率；④低的磁性温度系数和老化效应，以提高稳定性；⑤对于垂直磁记录材料，还需要高的垂直膜面的单轴磁各向异性ku（见磁各向异性）。㈡目前可采用的磁记录介质可以分为三类：铁氧体和其他强磁氧化物微粉；强磁金属微粉；强磁金属薄膜。目前大量应用的是γ-Fe2O3或以其为基的磁粉,正在研制或开始试用的还有CrO2磁粉、及以Ni和Co为基的合金薄膜介质。7.Julliere的公式及其简单计算8.磁性存储器(1)磁性随机存储器（MRAM）相对于其他存储器的优点(2)MRAM进行数据读出的基本过程和机理分析(3)基于隧道结的MRAM目前还存在的问题和挑战答：(1)MRAM兼具非易失、高速度、高密度、低耗等各种优良特性，所以被认为是电子设备中的理想存储器。另外，MRAM由于是金属材料为主，因此抗辐射能力远较半导体材料强。与现有的静态存储器SRAM、动态存储器DRAM和快闪存储器Flash相比，MRAM性能都足非常优秀的。MRAM所带来的另一个好处：允许将多种存储器功能集成到一个芯片上，从而削减对多个仔储器的需求、相应的成体和设备的大小．降低系统的复杂性，提高成本效益并延长电池寿命。(2)MRAM之所以具有这样的性能，是由于与传统的RAM不同，它是靠磁场极化的形式，而不是靠电荷的形式来保存数据的。MRAM的存储单元的结构如图2所示，它由三个层面构成，最上面的成为自由层，中间的是隧道栅层，下面的是固定层。自由层的磁场极化方向是可以改变的，而固定层的磁场方向固定不变。当自由层与固定层的磁场方向平行时，存储单元呈现低电阻；当磁场方向相反时，呈现高电阻。MRAM通过检测存储单元电阻的高低，来判断所存储的数据是0还是1。(3)困难之一是对自由层进行写入(使磁矩平行或反平行底层)时所需的功率过高，因此交叉点开关架构受到连带写入问题的困扰。虽然只有所选中的位单元会承受由同时沿着字线和位线流动的电流引起的强烈的激励磁场，但沿着其中任一根线上分布的所有其他的位单元也会承受一半的切换功率，因此它们被“半选中”。理论上，“半选中”的磁场作用并未强到足以重新改变这些单元对准方向的地步，因此这些位应该毫不受影响。但由于MRAM单元要构成大规模的阵列，在那些为数众多的“半选中”的单元中某一个单元的自由层要出现状态的随机翻转的几率还是很大的。原因就在于对写入线(字或位)线通电时，我们同时降低了这条线(位于其上方或下方)上的每个单元的状态翻转的切换势垒。而这个势垒对MRAM阵列中的任一自由板在某个范围内是随机的，也就是说它们没有共同的、固定的切换阈值。于是，“半选中”的单元数量越多，其中某个单元的状态接近自身阈值而出现翻转的机率就越大。要避免这个问题，就需要对阵列的布局、内存单元的构造以及导线上的电流分布进行严格而一致性的控制，而这种控制通常是难以实现的，尤其是大的点阵更是如此。这种现象在电子学上称为串扰(Crosstalk)。为了实现高密度的MRAM，缩短记忆位间的间距是必要的；然而当记忆位间的间距缩短到一定程度时，相邻的记忆位在执行写入动作的情形下相当容易相互干扰。由于MRAM是利用磁场来写入数据，而散逸场(strayfiled)会影响到邻近的位，故串扰问题是很难避免的。于是，在实践中，交叉点阵列问的尺寸长度不能超过一定的限度，这样单位面积上的单元数(密度)受到限制。虽然当前的半导体集成电路早已突破了这一尺寸极限值，但MRAM技术中如何突破有待时日。9.自旋晶体管(1)自旋阀晶体管（SVT）结构(2)描述SVT中自旋热电子的输运过程答：在该器件中，用多层磁性/非磁性金属薄膜构成的自旋阀（sv）多层巨磁电阻薄膜替换了普通晶体管的基极，同时SV与集电极、发射极在界面处形成肖特基接触，其典型结构如图所示。其工作原理是利用热电子输运效应:从正偏发射极注入热电子到基极SV中，形成发射极电流Ie；集电极的肖特基二极管反偏或零偏，当热电子穿过SV时，将受到弹性和非弹性散射，只有那些具有足够能量和适当动量的热电子才可以越过集电极势垒，形成集电极电流Ic；同时自旋相关散射对热电子在SV中的运动起着至关重要的作用：当两磁性层的磁化平行时，自旋相关散射小，热电子能顺利穿过SV到达集电极；而当两磁性层的磁化反平行时，由于强的自旋相关散射，到达集电极的热电子数就少，从而使集电极电流很小。因此集电极的电流对自旋阀中磁性层的磁化状态非常敏感，由于SV中的磁性层的磁化状态可以用合适的外加磁场控制，故可以得到一个与磁场有关的集电极电流。其中集电极电流的变化用磁电流MC表示式中，P和AP分别表SV中两磁性层的磁化状态为平行和反平行。