第三讲自旋电子学课件

1、自旋电子学及其相关领域前沿科学研究主讲人：许小红一、巨磁电阻效应（GMR）二、隧道磁电阻效应（TMR）三、稀磁半导体（DMS）一、巨磁电阻效应（GMR）2007 Nobel 物理奖巨磁阻效应Peter Gruenberg彼得格林贝格尔 Albert Fert阿尔贝费尔 巨磁电阻（GMR）效应Fert （1988） Fe/Cr 超晶格Phys Rev.Lett. 61(1988), 2472Grunberg （1986）相邻磁矩反铁磁排列Phys Rev.Lett. 57 (1986), 2442FM层间的振荡耦合普适现象 Parkin的贡献（1990）Co/Ru， 振荡周期 约12埃FM层间的

2、振荡耦合SMOKE丘子强等1992Fe/Mo/Fe单层膜厚度 t 的限制金属：t（2nm ） (20nm) Ls (200nm） a，增大分子。需远小于”自旋弛豫长度“。两流体近似。b，减小分母。需远小于”平均自由程“。弹性散射。*平均自由程（1030纳米） 自旋弛豫长度Ls（100500纳米）Mott两流体模型 (1)N.H.Mott,Proc.Roy.Soc. A153,699(1936)近似：电子与（热激发）自旋波散射可以忽略， （低于居里点） 只考虑电子与磁性离子自旋间的散射。 （sd散射）约定：与磁矩同方向的电子处于主要子带（majority） 相反方向自旋电子处于次要子带（mino

3、rity）两流体模型（2）散射过程中没有自旋反转S电子未被d （ majority ）电子散射，对电导贡献大 （d 在Fermi面没有状态) S 电子 被d (minority )电子散射，对电导贡献小 ( d 有效质量太大) 结果：电导的自旋相关因子两流体模型（3）测量值：Co和Ni大；Fe较小；Cu为零I.A.Cammpbell and A.Fert (1982) Mott两流体模型(4)计入Spinflip 散射（热自旋波散射），高温电阻率低温电阻率（Spinflip 散射 ）Mott模型和GMR效应（1） 按Mott模型（看上图）1，电子自旋与所在层磁矩 相同时， s电子与（Major

4、ity）d 电子散射弱， 电子自旋与所在层磁矩 相反时， s电子与（Minority）d 电子散射强。 Mott模型和GMR效应（2） 2，如果，平均自由程 （单层厚度）磁电阻比率其中，Pseudo spin valve (PSV) M(H) & R(H)Spin-Valve (SV)M(H) magnetizationR(H) magnetoresistanceSpin valve (SV) M(H) & R(H)high magnetoresistance field sensitivity上下自旋平行时电子容易通过-低电阻态上下自旋反平行时电子被散射高电阻态二、隧道磁电阻效应（TMR）（

5、二）隧道磁电阻（TMR）的发现与新进展1975 年在铁磁/半导体/铁磁三层膜中的磁隧穿测量，是在低温4.2 k 进行 平行和反平行磁化状态对应的电导相对差别为14，这就是最早的隧穿磁电阻（TMR）效应。静止20 年后，1995 年日本科学家宫崎照宣报道了电导的相对变化在室温下达到18，同年美国MIT 研究组也报道了类似结果，这是GRM 效应之后最重大的进展。于是，在世界范围掀起了自旋电子学研究和开发的第二个高潮。隧道磁电阻TMR与GMR之比较隧穿磁电阻（TMR）同金属多层膜以及自旋阀(spin valve)的巨磁电阻(GMR)效应有相似的应用，但它比自旋阀具有更高的磁电阻比值及相似的翻转磁场，

6、因而可以有更大的灵敏度，且有内阻高、功耗低、输出电压高等特点。TMR和GMR都可以在室温使用！ 19972005年计算机硬盘的读头使用GMR，2004年至今计算机硬盘的读头大部分使用TMR。隧道磁电阻ConductorTunneling barrierGMR自旋阀TMR 磁性隧道结BufferBufferAntiferromagnetAntiferromagnet输运核心磁钉扎体系Spin-valve-type structures隧道磁电阻 GMR TMR隧道磁电阻隧道磁电阻效应RapNSNSNSNRp： Resistance in parallel magnetization config

7、urationRap ： Resistance in antiparallel magnetization configurationFree ferromagnetic layerBarrierPinned ferromagnetic layerNSNSRap- RpRpx100 (%)TMR ratioSResistanceMagnetic fieldRp0隧道磁电阻FM(Co(001)NM(Cu(001)(Al-O)FM(Ni-Fe)自旋相关散射(磁电阻效应)上下自旋平行时电子容易通过-低电阻态上下自旋反平行时电子被散射高电阻态伪自旋阀自旋阀反铁磁耦合自旋阀Capping layerTa

8、TaTaFree layerNiFe, CoFe, CoFeBNiFe, CoFe, CoFeBNiFe, CoFe, CoFeBTunnel barrierAlO, MgOAlO, MgOAlO, MgOReference layerCoFe, CoFeBSpacer layerRuPinned layerCoFeCoFeCoFePinning layerIrMn, PtMnIrMn, PtMnSeed layerNiFe, NiFeCrNiFe, NiFeCrUnder-layerTaTaTaPseudo-Spin valve(non-coupled)Spin valveSy-antife

9、rromagnetic Spin valveMagnetic field, HDR/Ro隧道磁电阻最新进展量子振荡 TMREFkFkcpFMINMFM+-TMR大于2000 ！隧道磁电阻隧穿现象“MIM” 振荡波和衰减波 电子的穿透率 用 WBK 方法计算波函数计算穿透率 T 自由电子平面波情况结果： 简化： 位垒 与坐标无关，（1）强入射、弱势垒 入射能量 E接近 V0、 绝缘层很窄 (X2-X1) 0。 那么，I 0；T1。 电子的穿透。（2）弱入射、强势垒 反之。 那么，I 很大；T很小。电子受阻。隧穿电流 Simmons 公式！（1963） 应该计入 FermiDirac 统计(1)

10、(2) 电子(2) (1) 电子隧穿电流 重要物理结论： 隧穿电流 指数衰减部分状态函数部分 其中，指数部分 F（势垒宽、高度，.） 状态部分 F（两个电极的性质,.） 几种隧穿现象的差别不同的“两电极性质”和“势垒、宽、高度” (物理含义!) 名称 势垒 电极1 隧道效应 绝缘体 简单金属I 简单金属 2 隧道磁电阻效应 绝缘体 铁磁金属I 铁磁金属3 扫描隧道显微镜STM 真 空 简单金属V待测样品4 自旋极化STM 真 空 铁磁金属V待测样品5 .隧穿磁电阻 (TMR) 效应“FMI FM”结发现 M Julliere（1975）；再发现T Miyazaki （1995）Moodera（

11、1995）TMR实验结果韩秀峰等（2000）隧道磁电阻效应的物理机制隧道磁电阻Julliere公式（1）隧穿电流 （近似!）I 指数衰减部分状态密度部分上左图 FM电极的磁矩彼此“平行”（注意：数值大小是 ）上右图 FM电极的磁矩彼此“反平行”（注意：数值大小是 ）Julliere公式（2）比较“不同自旋态”隧穿电流的大小 ? 问： ？ 这就是TMR效应 证明：（两个数自乘之和必大于互乘的2倍）假设就有当然 不等式成立 Julliere公式（3） TMR 比率（放大的）定义分子 分母 Julliere公式（4） TMR的公式（用自旋极化率 表示）第一个电极 第二个电极 简单代数运算，就得到 J

12、ulliere的公式，Julliere公式（5） “保守的”Julliere的公式例子，如果，以Fe和Co 作为电极， 那么 TMR比率0.26 Julliere公式只考虑了电极，没有考虑势垒层的作用 STM 将“MIM”结中绝缘体 (I）换成“真空”，得STM。将Julliere“FMIFM”结中绝缘体（I）换成“真空”，得自旋极化的STM。结晶MgO隧道结 2001年Butler、张晓光等理论预言： 在完全结晶的磁隧道结 Fe(100)/MgO(100)/Fe(100)中， 磁电阻比率 可以达到1000。 (注：按另一种定义磁电阻比率为91) （PhysRev B63，054416（200

13、1）Parkin等人报道实验值达到200。 （Nature Materials 3, 862(2004) 。 TaN(10)/IrMn(250)/Co84Fe16(8)/30Co70Fe30(3)/MgO(3.1)/Co84Fe16(15)/TaN(12.5)。单位为纳米。日本 Shinji Yuasa 等人报道类似结果。 （Nature Materials 3, 868(2004)MgO绝缘层断面的高分辨电子显微镜相片。具有清晰的（001）MgO层结晶取向。Fe(100)/MgO(100)/Fe(100)结晶隧道结界面的结构大的原子为Fe黑的原子为氧小的为Mg物理 (受限于空间的对称性、能量

14、、动量、自旋守恒) 铁的费米面 多子 能带的对称性与MgO 能隙（100）方向的能带相符 其他在费米能级的能带对称性低于 能带少子能带高于费米能级将导致下列实验现象两边电极自旋“平行”时， 电子从多子带Fermi面到另一个多子带Fermi面， （在对称性为 的能带中） 电子流“很通畅”， 即D两边电极自旋“反平行”时， 电子从多子带Fermi面到另一个少子带Fermi面， （因能量、对称性不合） 电子流“极不通畅”，即dd。 类似半（自旋）金属非晶体隧道结？在结晶MgO结中， Z方向复数动量的虚部 在 点达到极小。 接近动量守恒。在非晶体Al2O3结， 在Z方向动量不守恒， 从而衰减严重。电子

15、的隧穿不但与电极的自旋极化率有关，而且与势垒层也有关，选择的材料能让一种自旋的电子通过，而另一种不能通过！TMR和GMR的应用计算机硬盘读/写头的工作原理示意图GMR传感器的物理学原理TMR和GMR的应用非磁层磁层1磁层2磁性随机存储器结构:原理:记录介质优点：断电时存储的信息不丢失非易失性的不同电子自旋排列表示“0”和“1”Write “ 0 ”Write “ 1 ”2003 First MRAM chips sold by Cypress, 128KBitTMR和GMR的应用88年，第一阶段：发现磁性金属多层膜巨磁电阻效应，建立了“磁电子学”。95年，第二阶段：在研究非磁半导体的自旋注入中

16、建立了 “自旋电子学”一门新兴学科的诞生。小 结物理基础：巨磁电阻 Giant MR (GMR) 外加磁场导致样品电阻的巨大变化A. 全金属磁性纳米结构 的 GMR (Cr/Fe) n 1988年 Co-Cu颗粒系统 1992年B. 钙钛矿结构锰氧化物的庞磁电阻 Colossal MR (CMR) 1993年 强关联电子系统，自旋，轨道，电荷 ， 关联电子学C. 隧穿磁电阻 （Tunneling MR） FM/I/FM 隧道结 1995年 隧穿型纳米结构 1996年阶段一：磁电子学D. 稀磁半导体（Diluted magnetic Semiconductor, DMS） 自旋注入进非磁半导体

17、铁磁金属/非磁半导体阶段二：自旋电子学三、稀磁半导体（DMS）稀磁半导体（DMS）的发现与新进展最早在1960年就有实验报道向半导体材料中加入磁性元素，但是距离温度小于100 K，没有实用价值，人们也没有就意识到其重要性，因此没有取得发展。1980年，研究者们注意到所谓的稀磁半导体，但是的实验技术使得磁性元素的注入效率极低。对DMS真正意义上突破性的研究是自旋电子学建立（1995年）相伴随而来的。无论是从理论的认识上，还是实验技术上有了划时代的进步。稀磁半导体的制备设备分子束外延（ MBE）自旋球自旋类似于磁铁的南北极自旋向上和向下不同的自旋在磁场下有不同能量常规电流中电子自旋随机取向我们能通

18、过自旋来控制电流？(自旋极化电流)e-e-e-e-e-电(荷)流有热效应、功耗spinspinspinspin自旋流无热效应、功耗何为自旋电子学？现代信息技术：信息处理 和 信息存储自旋电子学半导体材料磁性材料电子电荷电子自旋 传统电子学: 使用电子电荷特征来操控器件以获得不同功能 例如, 二极管, 晶体管, 光电器件 (探测器和激光器.) 自旋电子学: 使用电子自旋来获得新的或优化的功能器件 - 自旋晶体管 内存(高速，低功耗), 可调的探测器和激光器, 量子计算机等.Polarization upPolarization downNo informationInformation = 1I

19、nformation = 0Spin direction randomPolarization =0自旋量子计算机Spin-LED有了GMR，还需要DMS吗？DMS与GMR之比较Interest-Why Magnetic Semiconductors? Field of Spintronics: Essential to develop a semiconductor free from cluster & secondary phase Having ferromagnetically polarized carriers at Troom Spin & Charge of the carr

20、iers can be coupled with an external field Control devicesElectronchargeSpintronicsSpinThe ideal material retains the properties of the “host” semiconductor & adds FM at TroomDMSOZnTMWhat is the structure of DMS?其实在1990s人们关注的InAs，GaAs等稀磁半导体，但其距离温度小于172 K。为什么人们关注ZnO稀磁半导体的研究？稀磁半导体So far, several model

21、s have been proposed to explain the mechanism of magnetic origin in DMS.Competing Magnetic Mechanisms(1) Thermally activated hopping seen at high temperatures and in relatively pure samples:(2) Varible range hopping seen at low temperature in impure samples =1/4 or 1/2 (3) Metallic (need mean free path greater than lattice spacing)Three possible types of conductivityAntiferro