自旋电子学讲座1

自旋电子学系列讲座(1)巨磁电阻及其原理翟亚内存？硬盘？怎么读出？怎么写入？2007年诺贝尔物理奖颁发给GMR的发现AlbertFertPeterGrünbergPRL,A.Fertetal,61,2472(1988);PRB,P.Grünbergetal,39,4828(1989)StuartS.P.Parkin1997惠普欧洲物理奖(P&F&G)2006沃尔夫物理奖(F&G)2007日本奖(F&G)Dr.StuartS.P.ParkinisanexperimentalphysicistatIBM’sAlmadenResearchCenterinSanJose,California.Hisdiscoveriesintothebehaviorofthin-filmmagneticstructureswerecriticalinenablingrecentincreasesinthedatadensityandcapacityofcomputerhard-diskdrives.RobertL.White,IEEETRANSACTIONSONMAGNETICS,28,1482(1992).什么是GMR？„Giantmagnetoresistance„巨磁电阻主要内容„MR的定义„GMRand磁性多层膜层间耦合„自旋相关散射的原理„双流模型磁电阻效应磁电阻(MR)——磁场使电阻发生变化的现象„MR＝00)0()0()(ρρρ−=−HRRHRMagnetoresistanceρH－饱和磁场下的电阻率；ρ0－零磁场下的电阻率磁电阻的类别:„一般金属都存在的正常磁电阻（OrdinaryMR,OMR），特点是：(1)0)(00−=ρρρHMR(3)MR＝ΔR/R很小,~B2。(2)各向异性，但ρ⊥ρ//0产生MR的条件：ωcτ1，其中：*200*,mneBmecτσω==Cu：n=8.5×1028m-3；σ0=7.8×107Ω-1m-1；ωcτ=4.7×10-3B0，故若ωcτ1，B0200T按MR~B2计，B0=10-3T（10Oe），OMR~4×10-8%金属Bi有较高的OMR，在B0=1.2T，Bi薄膜的MR~7-22%，在低温下可达102-103%。W.F.LevertonandA.J.Dekker,Phys.Rev.80(1950)732;81(1951)156J.Babiskin,Phys.Rev.107(1957)981„磁性材料中的各向异性磁电阻（AnisotropicMR,AMR）。—来源于铁磁体电阻率的各向异性，MR≈1－3％.)()()(TTTmphresρρρρ++=¾ρres----剩余电阻率，来源于晶体不完整性对电子的散射；¾ρph(T)----声子（晶格振动）对电子的散射，随温度上升而增大；¾ρm(T)----主要为自旋无序散射或自旋相关散射，随温度变化。Ni的电阻率对温度的依赖关系ρ0为多畴退磁状态下的电阻率；由于各磁畴的Ms与电流夹角有一定分布，故ρ0为各磁畴电阻率的平均值。„磁性材料中的各向异性磁电阻（AnisotropicMR,AMR）。—常常ρ//(I//Ms)＞0，ρ⊥(I⊥Ms)＜0，ρ//＞⏐ρ⊥⏐.—AMR=MR//-MR⊥Ni0.9942Co0.00581988年在纳米金属多层膜Fe/Cr中发现巨磁电阻（GiantMR,GMR）„巨磁电阻的特点:(1)数值远较AMR的大。Fe/Cr多层膜室温下MR为11.3%,4.2K时达到42.7%。Co/Cu多层膜室温下MR比可达60-80%。(2)为负值。(3)基本为各向同性。0)(00−=ρρρHMR首先发现具有GMR效应的材料是Fe/Cr磁性多层膜。FMlayer:Fe,Ni,Co以及合金；NMlayer:Cu,Ag,Au,Cr等GMRand磁性多层膜（超晶格）Co/Cu多层膜（[Co(11Å)/Cu(t)]30）系列磁电阻回线，其中(a)-(h)分别对应于t=14,15,16,18,20,21,22,23ŋ退磁状态下相邻铁磁层的磁化为反铁磁排列，来源于层间的反铁磁耦合。‹磁滞回线十分倾斜，MR≈0及高的饱和场为反铁磁耦合的表现。中子衍射直接证实了其反铁磁排列。‹常常，各层Ms反平行时电阻最大，平行时电阻较小。‹在相同材料组成的多层膜系列中，具有反铁磁耦合的多层膜常有高的磁电阻比。表现特点：FM层间的振荡耦合――普适现象Parkin的贡献（1990）Co/Ru，振荡周期约12AFM层间的振荡耦合――VSM阎明朗等，1994NiFe/Mo/NiFeFM层间的振荡耦合――SEMPA直接观察（scanningelectronmicroscopywithpolarizationanalysis）Unguiris等(1991)Fe单晶/Cr尖劈/Fe薄膜研究表明，层间交换耦合的性质常随多层膜中非磁层厚度的变化而在反铁磁与铁磁间振荡。这是一个相当普遍的现象。有巨磁电阻时，GMR亦随之振荡，其峰及谷常分别相应于反铁磁和铁磁耦合。Co/Cu多层膜的GMR随Cu层厚度变化的振荡行为一些具有强反铁磁耦合的多层膜的巨磁电阻可达很高的数值，但强反铁磁耦合使饱和场Hs增高。如Co/Cu多层膜室温下GMR第一峰值可达60-80%，但饱和场高达1Tesla，其磁场传感灵敏度S=MR/Hs并不高，低于0.01%/Oe，远小于AMR的玻莫合金低场下的灵敏度。后者的饱和MR~3%，饱和场Hs~10Oe，S可达0.3%/Oe。使GMR材料的Hs降低的常用方法是增加NM（如Cu)层厚度，使层间耦合减弱至零。„并不是所有多层膜都有大的MR，有的很小，甚至只观察的到AMR。„出现这种负的巨磁电阻的条件是:(1)多层膜中界面及铁磁层内部有自旋相关散射.(2)金属超晶格的周期(每一重复层的厚度)应比载流电子的平均自由程短.(3)在退磁状态下多层膜中相邻铁磁层Ms不平行或反平行。导致邻磁层中磁化反平行排列的方法除反铁磁耦合外，还有其他方法。„自旋相关导电的研究领域拓展到自旋注入及自旋转移。电子电子电子电荷的负载体电荷的负载体电荷的负载体自旋的负载体自旋的负载体自旋的负载体普通非磁金属：普通非磁金属：普通非磁金属：金属电阻，来自于电子的散射金属电阻，金属电阻，来自于电子的散射来自于电子的散射电子的散射与电子的自旋无关，电子的散射与电子的自旋无关，电子的散射与电子的自旋无关，磁有序金属：磁有序金属：磁有序金属：自旋向上的电子和自旋向下的电子的电阻率不同自旋向上的电子和自旋向下的电自旋向上的电子和自旋向下的电子的电阻率不同子的电阻率不同铁磁金属中s电子和d电子能带交叠铁磁金属（Fe，Co，Ni）的电子能态密度曲线示意图d电子能带的作用1）自发磁化：磁交换作用使d电子能带分裂自旋向上和自旋向下的电子数目不等如Ni,5个d电子自旋向上，4.42个d电子自旋向下M=0.58个电子磁矩/原子2)s-d散射是主要散射机理，散射率正比于终态的态密度)()()(FdFdFsENENEN↓↑≠导致与自旋有关的散射！铁磁金属‹s电子和d电子能带交叠s电子:宽能带，低态密度，小m*；d电子:窄能带，高态密度，大m*‹s电子数目d电子数目：如Ni，每个原子有10个价电子，d带占9.42个，s带占0.58个电流主要由s电子贡献（迁移率高）¾大的交换劈裂使d↑带基本处于费米面之下，故N↑(EF)仅来自于s电子；¾而d↓带与费米面相交，故N↓(EF)来自于s↓+d↓的总和；)()(FFENEN↓↑11()FdFvNEσσσσσλττλ−−=∝∝对于s电子对于Co5.50.6nmnmλλ↑↓==对于坡莫合金4.60.6nmnmλλ↑↓==σσσστρ2*enm=ρ↑ρ↓自旋相关的散射依赖于电子自旋平行还是反平行于MMrMr自旋反平行于M的s电子受到的散射大?d电子能带spin-dependentscattering„自旋扩散长度：几十纳米，相应的磁性材料结构必须能够控制在纳米量级或更小！自旋相关导电才能表现出来。„只有在最近十年中，原子规模的材料生长和测量水平得到了相互促进和发展，产生出具有各种新现象的人工纳米结构。先进的测量手段，使人们成功地观测到纳米结构产生的微弱信号。这样就又使得精确控制磁性材料的纳米尺寸结构成为可能。为什么以前没有发现自旋相关散射？为什么以前没有发现自旋相关散射？为什么以前没有发现自旋相关散射？结束语„人类已利用电子的荷电性在半导体芯片上创造了今天的信息时代,自旋极化输运将给人类带来的也许又是一片广阔的天地，同时利用电子电荷与电子自旋。尽管五十年前或者更早一点的年代就可以找到自旋极化输运的踪迹，但人类开始认识并试图驾驭它则是近十几年的事。磁电子学给予人类以梦想与希望，同时也给予我们更多、更大的挑战。谢谢