自旋电子材料

1、自旋电子材料(磁性+电性)北京航空航天大学磁力：吸引力和排斥力磁场的产生电子绕核转动和自旋 Magnetism is originated from the motion of electrons around the nucleus (planetary like motion) - -The magnetic moment due to orbital motion:The magnetic moment due to spin motion:Origin of MagnetismIn 1933, Walter Meissner and Robert Ochsenfeld discover

2、ed that a superconducting material will repel a magnetic field 涡流VortexCooper Pairs巨磁阻和巨磁阻材料磁阻-Magnetoresistance (MR) 磁阻由磁性引起的附加电阻 一百多年以前知道外加磁场可改变电阻值的大小 在非磁性金属中磁阻产生的原因是Lorentz 在磁性金属中磁阻是由于量子效应中的Spin-orbital 耦合引起的，也就是各向异性磁阻 然而这些电阻的变化一般较小，因此其应用价值也较有限，主要是作一些简单的传感器磁阻-Magnetoresistance (MR) 几乎所有金属、合金和半导体中

3、都存在磁阻，它是磁场中物质的附加磁阻（W. Thomson 于1857年发现），即 磁阻由洛仑兹力引起，与磁场（磁化）方向有关 巨磁阻-Giant Magnetoresistance (GMR) 巨磁阻发现的前期工作是1986年Grnberg对Fe/Cr/Fe三层膜的研究 他们最初的研究目的是研究超薄Cr薄膜的反常特性 意外发现在适当的厚度下，通过Cr膜的中介，两个Fe层薄膜之间产生反铁磁交换耦合作用，相邻铁膜从铁磁相转化为反铁磁相。适当中介层厚度，相邻铁磁层磁化方向相反，形成反铁磁序(AF)，外磁场使其磁化转向，转化为铁磁模式（FM）。 这种结构由被非磁隔离层(NM-layers)分开的薄铁

4、磁层(FM-layers)组成 非磁隔离层的存在使得相邻铁磁层存在交换耦合作用，即它们磁化方向处于反平行状态（AF） 这种耦合作用可以用Ruderman-Kittel-Kasuya-Yoshida(RKKY)模型解释 外磁场H克服层间耦合可使所有磁层的磁化方向从反铁磁模式(AF-mode) 同时转换为平向方向，即铁磁模式(F-mode)。 1988年发现三层结构推广到多层时，在室温下其磁阻超过10 %； 为了强调磁阻显著的变化，特意在这种“磁阻”（“MR”）之前加上“巨”（“giant”），而称为“巨磁阻”（“GMR”）。 两个研究团队分別在4.2K温度和室温下，对各自研制的磁性多层薄膜系统磁

5、电阻予以测量， Fert教授在4.2K 的低温，在(Fe/Cr)n，n = 60系统中测量得到50% 磁阻变化， Grunberg教授則在室温下，测量Fe/Cr/Fe三明治结构，测得大約1.5% 的磁阻变化，随后又在低溫下Fe/Cr/Fe/Cr/Fe 系统中测得约10% 的磁阻变化率。Albert FertPeter Grunberg 后来的研究中，巨磁阻越来越显著。法国科学家费尔和德国科学家格林贝格尔因发现巨磁阻效应而荣获2007年诺贝尔物理学奖瑞典皇家科学院发布的颁奖声明称，他们1988年各自独立发现了一种全新的物理效应巨磁电阻即一个微弱的磁场变化可以在特定系统中产生很大的电阻变化巨磁阻将

6、物质磁性与电荷输运结合在一起 从而诞生了磁电子学和自旋电子学Electron spin-dependent transport;Two-channel conduction theory (Fert and Campell, J. Phys. F6, 849(1976);Conduction electron: Spin-up and spin-down.自旋电子学-Spin Electronics1995年后，GMR的研究发展成为一门新型的学科-自旋电子学(Spin electronics)主要包括利用顺磁、铁磁金属和绝缘体材料的组合的磁阻效应实现器件和电路功能，例如：计算机硬盘驱动器的读磁

7、头非挥发磁随机存储器(MRAM), 电路隔离器（circuit isolators）自旋阀传感器自旋阀 (Spin Valves) Exchange-biased spin-valves were developed byDieny et al., Phys. Rev. B43, R1297(1991).Spin configuration of an FM-AFM bilayes磁性隧道结-Magnetic Tunneling Junction 磁性隧道结-Magnetic Tunneling Junction 磁性隧道结-Magnetic Tunneling Junction 磁性半导体(

8、稀磁半导体)Mechanism of Ferromagnetism in DMSDouble-exchange (EFEAF)RKKY interactionegt2gsimultaneously According to Hund rule on the intra atomic exchange, the carriers do not change their spin orientation when hopping from one ion to the next, so they can only hop if the spins of the two ions are parallel. Therefore, this parallel spin alignment induces ferromagnetism。GaMnAs材料特点低温外延生长 生长温度220 oC，以阻止MnAs形成. Mn的浓度典型值1 8 %