电子科技大学自旋电子学第二章

唐晓莉微固学院（215）室[e-mail]第二章巨磁电阻及隧道磁电阻效应HM第一节磁性材料及其性质M：描述宏观磁体磁性强弱程度的物理量磁滞回线：描述磁性材料在外场作用下的磁化状态磁化状态沿外场方向表现出来的磁化强度M的大小沿外场方向磁矩的分布状态HH注：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。HMmHmMMR-HcHc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化强度MR值，这种现象称为磁滞现象。当M值降到零时的外加磁场强度(Hc）称为矫顽磁场强度。(简称矫顽力)磁滞回线第二节巨磁电阻效应机理1.磁阻效应由外磁场的作用而导致的电阻机制有很多种，其中包括：•••Giantmagnetoresistance(GMR)－巨磁电阻(巨磁阻)•Tunnelingmagnetoresistance(TMR)－隧道磁电阻••Ordinarymagnetoresistance(OMR)－普通磁电阻Anisotropicmagnetoresistance(AMR)－各向异性磁电阻Ballisticmagnetoresistance(BMR)－弹道磁电阻Colossalmagnetoresistance(CMR)－庞磁电阻Ordinarymagnetoresistance(OMR)－普通磁电阻机理：作用于运动的电子的磁场将产生洛伦兹力，导致电子或沿电流方向呈螺旋线进动或发生偏转，从而增加了传导电子的输运路径，导致电阻增大纵向磁场（H//I)横向磁场（H⊥I)普通金属都具有的正磁电阻Anisotropicmagnetoresistance(AMR)－各向异性磁电阻针对磁性金属在铁磁性物质中,当外磁场与电流的夹角变化时,样品的电阻也随之变化。与外磁场的大小无关，只与外磁场的取向（磁化方向）有关机理：由于铁磁性物质中3d电子的自旋-轨道耦合,导致了传导电子散射(s-d散射)的各向异性ResistivityofNi0.9942Co0.0058at77KBallisticmagnetoresistance(BMR)－弹道磁电阻在铁磁体之间呈纳米接触的微型结上，若结区的颈缩尺度为几个纳米时，电子可以弹道式地通过结区，并呈现极大的磁电阻弹道磁电阻测试机理图机理：磁畴壁对自旋电子的散射Colossalmagnetoresistance(CMR)－庞磁电阻2.巨磁电阻的发现及其产生的机理(1)巨磁电阻(GMR)的发现——建立在长期对交换耦合薄膜和铁磁金属（合金）中电子输运性质研究的基础上Grunberg，Phys.Rev.Lett.57(1986)2442FeFeCr∼1nmFeFeCr最初研究目的：以单原子层为单位改变夹在两铁磁层之间的Cr厚度，研究具有反常反铁磁性金属Cr在制成超薄膜后的行为当Cr层厚度增加至1nm时相邻铁磁薄膜发生了从铁磁耦合向的渡越PeterGrünberg反铁磁耦合(1)巨磁电阻(GMR)的发现Baibich，Phys.Rev.Lett.61,2472–2475(1988)Fe/Cr多层膜的R(H)研究目的：弄清层间耦合的机理电阻测量：[Fe(3nm)/Cr(0.9nm)]40超晶格在4.2K和2T的磁场下电阻剧降导零场的一半，即使在室温下电阻变化率也有17%，远大于AMRGMR效应的发现AlbertFert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；而当磁化方向反平行的时候电阻则会变得很大。(2)巨磁电阻(GMR)效应产生的机理——二流体（双电流）模型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。基本思想：（1）将传导电子的输运分成自旋向上和自旋向下两部分，分别独立地承载电流，不同自旋电子对电阻的贡献，相当于并联的两个通道；（2）假设磁性金属中一段距离内传导电子自旋不发生翻转（保持自旋取向）1936年,Mott将二流体模型扩展到铁磁性金属自旋向上和自旋向下的电阻率分别记为和RRRRRRR普通金属费米面附近自旋向上和向下电子的态密度（），传导电子的散射是自旋简并的s电子间的散射NNRR两通道中的电阻率相同铁磁金属自旋简并的电子能带分裂成非对称的结构（），自旋向上和向下的电子具有不同的散射截面和电阻NNRR两通道中的电阻率不相同Co、Ni、Fe电子能态密度示意图Co和Ni来说，自旋向下电子所经受的散射几率将会大于自旋向上电子，导致RRFe的自旋相关电阻的不对称性低于Co和NiEf双电流模型对巨磁电阻效应的定性解释FM1NMFM2eeRrrRrR2RR2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——系统电阻较低两磁性层平行rRrRRp2FM1NMFM2eeRrrRrRRRrR两磁性层反平行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——系统的电阻较高2rRRAP当多层膜的磁矩从平行状态变化到反平行状态时)(2)(2rRrRR产生GMR效应必须满足以下几个条件：(1)相邻磁层磁矩的相对取向能够在外磁场作用下发生改变，即体系体磁化状态可以在外场作用下发生改变。(2)每一单层的厚度要远小于传导电子的自旋扩散长度。(3)自旋取向不同的两种电子，在磁性原子上的散射差别必须很大。(3)巨磁电阻(GMR)效应的基本实验现象①巨磁电阻与常规磁电阻的差别常规磁电阻：正磁电阻效应多层膜巨磁电阻：（i）负磁电阻（ii）MR值远大于常规磁电阻（iii）各向同性的磁电阻（MR与I和H的相对取向无关）②层间交换耦合及振荡效应MR振荡效应Hs振荡效应Fe/Cr多层膜的MR并不随Cr层的增加而单调降低，在幅值上呈现阻尼振荡效应；Hs类似振荡周期：1.2-2.1nm③巨磁电阻的多样性和普遍性A.普遍性GMR并非是Fe／Cr多层膜所独具的特性，由铁磁金属(Fe，Co，Ni)及合金和贵金属(Cu，Ag，Au)或3d，4d及5d非磁金属(如Cr等)构成的多层膜上都具有巨磁电阻在颗粒膜、失稳分解的合金、钙钻矿结构锰氧化物等都发现具有GMRB.多样性常见的多层膜中的GMR效应第三节常见的巨磁电阻效应一.常规连续多层膜体系1.典型的磁阻曲线Fe/Cr多层膜Cu/Co多层膜2.层间振荡交换耦合Fe/Cr多层膜层间振荡效应Co/Cu多层膜层间振荡效应随非磁性层厚度的改变，层间耦合强度随之改变，当层间耦合强度不足以调制相邻磁层的磁矩取向时，由于相互弱耦合的相邻磁层内磁结构无序度增大，从而导致GMR效应消失层间交换耦合研究铁磁/非磁性/铁磁三明治薄膜开展利用楔形膜，可在同一样品上系统测试层间耦合与非磁性层厚度的关系，给出高精度的实验结果Fe/Cr/Fe楔形薄膜SEMPA图谱高温室温首次观察到除长周期(约1.8nm）振荡外还存在短周期(0.3nm)振荡(取决于Cr层质量）二.变形连续多层膜体系1.多层磁性纳米线多层纳米线阵列示意图纳米线磁阻曲线采用电沉积工艺，在聚合物纳米尺度的微孔内，制成磁性多层纳米线，MR达15%2.亚铁磁态多层膜（赝/伪自旋阀）常规的连续多层膜选用相同的磁性材料层，利用层间耦合效应亚铁磁态多层膜非耦合型，选用具有不同矫顽力的两个磁性层，利用外磁场调制两磁性层平行与反平行，产生GMR典型的磁阻曲线：[Co/Cu/NiFe/Cu]15磁阻曲线FM2FM1NM软磁层硬磁层优点：在室温和较低的外磁场（50一100Oe)下就可以产生较大的GMR值缺点：非磁性层厚度必须足够大以克服磁性层间耦合亚铁磁态多层膜的磁化过程及GMR曲线3.自旋阀多层膜伪自旋阀磁滞回线伪自旋阀磁阻曲线矫顽力极易受多种因素的影响，难以控制；磁滞效应及畴壁运动限制了器件灵敏度的提高仅适用于材料磁电阻行为的基础研究自旋阀型巨磁电阻——IBM公司B.Dieny1991年提出反铁磁层被钉扎铁磁层自由铁磁层自旋阀工作原理自旋阀典型结构电阻变化R低阻态高阻态磁场H磁电阻变化曲线（1）典型磁阻曲线NiFe/Cu/NiFe/FeMn自旋阀磁滞回线及磁阻曲线被钉扎层NiFe自由层NiFe磁化曲线呈现出两个分开的磁滞回线。矫顽力较小的回线对应于NiFe自由层的磁化方向，而另一条磁滞回线在交换各向异性(exchangeanisotropy)场驱动移至90Oe附近，对应于NiFe被钉扎层在较小的外场（一般几个Oe），即能实现巨磁电阻效应（2）非磁性层厚度对自旋阀巨磁电阻效应的影响不同Cu层厚度NiFe/Cu/NiFe/FeMn自旋阀磁滞回线及磁阻曲线当Cu层厚度较小时，两磁性层呈强耦合态当Cu层厚度增大到2nm时，两磁性层的磁滞回线初步被分开当Cu层厚度增大到2.6nm时，出现明显的平行与反平行态当Cu层厚度继续增大，GMR效应降低三.其它类型的巨磁电阻效应失稳分解的合金颗粒膜体系弹道磁电阻钙钛矿中的庞磁阻效应电阻变化R低阻态高阻态磁场H第四节巨磁电阻效应的测试通过外加磁场改变铁磁多层膜的磁化状态，得到磁阻的变化1.四探针法测试系统图测试获得的磁阻曲线电流沿膜面方向流动，CIP（Currentintheplane)2.电流垂直于膜面(CPP：currentperpendiculartotheplane)的巨磁电阻效应的测试优势：消除非磁金属的分流效应，并强迫传导电子必须横穿所有的界面，产生更强烈的自旋相关散射，可以预期更大的磁电阻效应电阻值可以看成是各层膜内电阻与其界面电阻的串联值，简化测量结果的分析eeeee难点：对于给定的电阻率，电阻取决于样品尺寸。一个典型的层状结构，多层膜截面积为1mm2，沿层生长方向上的厚度为1μm：在CIP模式下L/S=103mm-1,在CPP模式下L/S=10-3mm-1在上述的几何尺寸下，CPP的R：10-7-10-9ΩIIAg(6nm)/Co(6nm)多层膜CPPCIPCPPGMRCIP(4倍)仍然存在的问题：测量仅限于低温微细加工：光刻和反应离子刻蚀Fe/Cr多层膜CPP-GMR不同Cr层厚度和温度下CPP-MR与CIP-GMR对比3.电流与膜面呈一定角度(CAP：current-at-angletotheplane)的巨磁电阻效应的测试薄膜制备在平滑表面的衬底上薄膜制备在V型刻槽微结构的衬底上周期为2μm的V型刻槽周期为4μm的V型刻槽[Co(1.2nm)/Cu(5.8nm)/NiFe(1.2nm)]180周期为2μm的V型刻槽下的GMR周期为4μm的V型刻槽下的GMR对CIP模式，不同刻槽周期对GMR无影响；CAP-GMRCIP-GMR；2μmCAP-GMR4μmCAP-GMR22sincosCPPCIPCAP计算出的CPP-MR微加工基板上CAP的测试第五节交换偏置效应自旋阀典型结构及工作原理铁磁/反铁磁间的交换各向异性是该结构的关键一.交换偏置效应的发现交换偏置效应最早于1956年在CoO外壳覆盖的Co颗粒系上被发现Co/CoO系统经磁场冷却后的磁滞回线T=300K77KCo/CoO系统经磁场冷却后的转矩曲线磁滞回线的中心位置相对零场有一个位移，该位移的大小定义为交换偏置场（Hex）单方向性Co/CoO、Ni/NiO、Fe/FeO、FeCo/FeCoO颗粒膜系统Cu1-xMnx、Ag1-xMnx、Au1-xFex多相体系FeMn、NiMn、PtMn、IrMn/磁性金属双层