颜老师课件自旋电子学2014

颜世申山东大学物理学院

2014.03.20自旋电子学简介一、序言--电子的电荷与自旋二、自旋电子学的几个重要发现层间反铁磁耦合、巨磁电阻、隧穿磁电阻、半金属、磁性半导体、拓扑绝缘体、自旋霍尔效应三、电子自旋注入半导体四、硬盘垂直磁存储技术五、几种激烈竞争的存储技术六、我们的研究工作七、我们的实验室内容提要PeterGrünberg---克鲁伯格1939年5月18日出生。1988年，他在尤利西研究中心研究并发现巨磁电阻效应。AlbertFert---费尔1938年3月7日出。1988年，他发现巨磁电阻效应，随后对自旋电子学作出过许多杰出贡献。2007年诺贝尔物理学奖自旋自旋电子的电荷与自旋电子电荷自旋电子在半导体材料中有电子和空穴两种载流子极化电子有自旋向上和向下的两种载流子电子的自旋极化

当电子通过铁磁金属时，电子由简并态，变成向上(+1/2)和向下(-1/2)的非简并态，表现出自旋极化。自旋极化度实验结果：

材料NiCoFeNi80Fe20Co50Fe50Co84Fe16自旋极化度(％)334544485149N↑和N↓在费密面自旋向上和向下的电子数。磁化方向自旋极化电流3d4sP=45%P=100%Ef铁磁体低温下电子弹性散射的平均时间间隔10-13秒；-平均自由程10nm。非弹性散射的平均时间间隔10-11秒；相位干涉长度1m。

极化电子自旋保持原有极化方向的平均间隔时间10-9秒。sd-自旋扩散长度100m。室温下自旋扩散长度钴铁

FeNi

金银铜铝自旋向上↑5.5nm1.5nm4.6nm自旋向下↓0.6nm2.1nm0.6nm1-10m

电子的自旋通常只有在磁性原子附近通过交换作用或者通过自旋-轨道耦合与杂质原子或者缺陷发生相互作用被退极化。自旋极化的电子输运lsdThermallyactivatedcoherentPhasechangeprecessionRecordingstabilitySuperparamagneticlimit极慢DomainwallmotionGilbertdampingGHzdataratePrecessionalswitchingSpin-latticerelaxationLaser-induced(de)magnetizationCoherentdynamics各种磁过程的时间尺度100yrYrhrsmsμsnspsfs先进材料的奇异物性和电子自旋密切相关铁磁材料庞磁阻材料半金属材料磁性半导体高温超导体重费米子材料自旋霍尔效应磁性半导体Science294(2001)1488.半金属一、序言--电子的电荷与自旋二、自旋电子学的几个重要发现层间反铁磁耦合、巨磁电阻、隧穿磁电阻、半金属、磁性半导体、拓扑绝缘体、自旋霍尔效应三、电子自旋注入半导体四、硬盘垂直磁存储技术五、几种激烈竞争的存储技术六、我们的研究工作七、我们的实验室内容提要

1.产生大的交换偏置场--HE2.钉扎铁磁层的矫顽力小--Hc3.反铁磁层厚度要薄

4.温度稳定性要好

5.热处理工艺简单，宽容度大常用的反铁磁材料:NiMn

FeMn

IrMn

PtMn反铁磁层通过交换耦合对近邻铁磁层起钉扎作用1.交换偏置—反铁磁/铁磁界面FreeFMConductingspacerorinsulatingbarrierPinnedFMAntiferromagnetHMHE2.Fe/Cr/Fe三明治结构的层间反铁磁耦合Phys.Rev.Lett.57(1986)2442Unguris.etal.Phys.Rev.Lett.67(1991)140FeFeCr∼1nm反铁磁耦合与振荡效应的实验证明FeFeCrP.Grünberg

et.al.Baibich,A.Fert

et.al

(Fe/Cr)多层膜的巨磁电阻金属多层膜的巨磁电阻反铁磁耦合(H=0)CIPCPP1994年Pratt和Levy垂直多层膜的GMR(CPP)，比CIP高4倍的变化Phys.Rev.Lett.66(1991)3060--------70(1993)33433.巨磁电阻(GMR)Phys.Rev.Lett.61(1988)2472磁化强度平行，RP电阻小磁化强度反平行，RAP电阻大RPRPRPRPRAPRAPRAPRAP二流体模型自旋电子极化方向平行磁化强度方向-平均自由程长自旋电子极化方向反平行磁化强度方向-平均自由程短巨磁电阻效应的解释CuCo(Fe/Cr)n的R/R0磁电阻随周期数n的增加而增大Parkin.etal.Phys.Rev.Lett.64(1990)2304∆R/R(％)随Cr厚度变化的振荡关系↑↑↑↑↑↑↑↓↑↓↑↓饱和磁场随Cr层厚度变化的振荡关系↑↓↑↓1990年Parkinetal多层膜的交换耦合振荡和巨磁电阻振荡1020304051015Crthickness(Å)SaturationField(kOe)饱和磁场随Cr层厚度变化的振荡关系GMR自旋阀1990年Shinjo

两种不同矫顽力铁磁层的自旋阀结构1991年Dieny

用反铁磁层钉扎一层铁磁层的自旋阀结构J.Appl.Phys.69(1991)4774MR=7%反铁磁层钉扎铁磁层自由铁磁层SiKoui.etal和Huaietal8th.JointMMM-IntermagConference2001纳米氧化层NOL(Nanooxidelayer)∆R/R=15％(>10％)-20246810121416-600-400-2000200400600H(Oe)MR(%)NOL15%8%纳米氧化层增强自旋阀磁电阻GMR的部分应用反铁磁层铁磁层1铁磁层2非磁性层硬盘读出磁头GMR隔离器传感器GMR-typeMRAM(Honeywell公司曾制作出1Mb的MRAM,

估计军方是唯一用户)CompassingGlobalPositionSystemsVehicleDetectionNavigationRotationalDisplacementPositionSensingCurrentSensingCommunicationProducts通信产品TheWorldofMagneticSensors罗盘全球定位车辆检测导航位置传感器电流传感器转动位移4.隧穿磁电阻TMR1975年Julliere

在Fe/Ge/Co中发现两铁磁层中磁化平行和反平行的电导变化在4.2K为14％。Phys.Lett.54A(1975)2251982年Maekawa等在Ni/NiO/Ni，(Fe、Co)等发现磁隧道电阻效应IEEETrans.Magn.18(1982)7071995年Miyazaki

在Fe/Al2O3/Fe三明治结构，在室温下有15.6％的磁隧道电导变化，磁场灵敏度为8％/Oe。Al2O3FeFeAl2O3FeFeJ.Magn.Magn.Mater.139(1995)L231----151(1995)403↑↑↑↑↑↑↑↓↑↓↓↓↓↓↓↑↓↑Fe/Al2O3/Fe电阻隧磁场变化Fe/Al2O3/Fe磁滞回线Al2O3为绝缘层的磁穿道电阻自旋极化度N↑和N↓分别表示在费密面自旋向上和向下的电子数。↑↑

电阻RP小↑↓

电阻RAP大隧穿磁电阻的解释量子隧道效应示意图(Fe/Al2O3/Fe)TMR反铁磁钉扎主流材料—IrMn、PtMnIrMnPhilipsresearchPtMnWestVirginiaU.&IBM适合SV、AlOx-MTJ与硬盘记录读头处理温度：250～300CRu5/Cu10NiFe5IrMn12CoFeB4Al2O31.2CoFeB6Ru5正常钉扎型TMR人工反铁磁耦合材料—CoFe-Ru-CoFeB人工反铁磁耦合钉扎PhysRevB72(2005)054419

改善钉扎层的交换偏置场,自由层翻转一致非常好，锰扩散不到钉扎铁磁层，磁路封闭正常人工Ru5/Cu10NiFe5IrMn12CoFe4Ru0.8CoFeB4Al2O31.3CoFeB4NiFe5Ru5RKKY作用人工反铁磁反铁磁Fe/MgO/Fe隧道结的TMR理论预言用第一性原理计算隧道电导和磁电导

小原子是镁，大原子是铁，大原子上的黑球是氧。Fe[100]平行MgO(100)面上的[110]方向。

多数电子和少数电子在费米面附近态密度完全不同。结构模型Mg1oFe[010][100][110]2[100]FeMgO

多数电子和少数电子在费米面附近态密度大体相同。

1）

MgO界面附近的Fe在费米面附近的态密度2）Fe界面附近的MgO在费米面附近的态密度计算：多数电子少数电子W.H.Butler,P.R.B63,054461(2001)3）计算Fe/MgO/Fe(k//=0)隧道态密度TDOS多数电子少数电子磁矩平行磁矩反平行

对于k//=0Fe(100)有四个布洛赫态：

一个∆1，两重简并态∆5，一个∆2’

在MgO中有不同的衰减，∆1只在多数电子时在费米面附近有较高态密度。结论：

多数电子的隧道电导由对称的∆1态决定，由于∆1态对多数电子在费米面附近有态密度，对少数电子在费米面附近没有态密度，

类似于半金属的能态，因此自旋极化率为100%。理论预言TMR可达到1000％TMR实验：相干自旋极化隧穿的Fe/MgO/Fe隧道结S.Yuasa

JpnJApplphys43,L588(2004)MgO(001)基片Fe(001)MgO(001)2nmFe(001)3x12m2超过Al2O3非晶势垒(TMR~70%)室温：TMR=88%写入读出位线字线写线写线位线字线WWLRWLGNDBLMTJCMOS磁性隧道结的应用—磁记录头，MRAMMotorolaMTJMRAMstructureMRAM与现行各存储器的比较（F为特征尺寸）技术DRAMFLASHSRAMMRAM容量密度256GB256GB180MB/cm2>256GB速度150MHz150MHz913MHz>500MHz单元尺寸25F2/bit2F2/bit

2F2/bit联接时间10ns10ns1.1ns<2ns写入时间10ns10s

<10ns擦除时间<1ns10s

<10ns保持时间2.4s10years

无穷循环使用次数无穷105无穷无穷工作电压(V)0.5-0.6V

5V

0.6-0.5V

<1V开关电压0.2V5V

<50mVMRAMDRAMFLASH5.高自旋极化率材料：半金属材料和稀磁半导体混合价钙钛矿CMR稀磁半导体稀磁半导体

材料掺杂元素磁矩(B)居里温度(K)参考文献GaNMn9%0.9940TiO2Co7%1.4650-700Shindeetal(2003)

Fe2%2.4300Wangetal(2003)SnO2Fe5%1.8610Coeyetal（2004）

Co5%7.5650Ogaleetal(2003)ZnOFe5%Cu%0.75550Hanetal(2002)

Co10%2280-300Uedaetal(2001)Son0daetal(2002)Diluteferromagneticoxides;TC>RT相变：铁磁、金属―顺磁、绝缘体6.庞磁电阻Mn3+

与Mn4+交换电子两次跃迁过程：氧离子电子→Mn4＋

Mn3+

eg电子→氧离子绝缘→金属转变庞磁电阻机理—双交换作用模型外磁场使相邻格点局域自旋间夹角减小，增加跃迁概率，从而增加电导(减小电阻),产生CMR。

拓扑绝缘体理想的能带结构。其费米能级位于块材的带隙，该带隙被拓扑保护的表面量子态所填满。

拓扑绝缘体表面的自旋-轨道耦合7.拓扑绝缘体材料与物理机理Topologicalphasetransition.(A)High-resolutionARPESdispersionmapsalongthe-momentumspaceline,fromaspin-orbitbandinsulator(leftpanel)toatopologicalinsulator(rightpanel).(B)ARPES-mappednativeFermisurfacesfordifferentchemicalcompositions.(C)Leftandrightpanels:Energydistributioncurvesforstoichiometriccompositions.(D)Evolutionofelectronicgroundstate(3Dbandtopology)imagedoverawiderangeofenergy(verticalaxis),spin(arrows),andmomentum(horizontalplane).Xu

et,al.,Science332(2011)560.从能带绝缘体到拓扑绝缘体的相变J.E.Hirsch,Phys.Rev.Lett.83,1834(1999)M.I.Dyakonov,JETPLett.13,467(1971)Y.K.Kato,Science306,1910(2004).8.自旋霍尔效应三种霍尔效应：正常霍尔效应、反常霍尔效应、自旋霍尔效应三种量子霍尔效应。H表示外加磁场强度，M表示自发磁化强度。这三种量子霍尔效应中，电子都是沿着无耗散的边缘运动，材料内部是绝缘的。霍尔测量是测量一个方向的“净”电荷，对于量子霍尔效应（左侧）来说，边缘的不同自旋方向的电子都是朝着一个方向运动；对于量子自旋霍尔效应（中间）来说，不同自旋方向的电子的运动方向不同；在量子反常霍尔效应（右侧）中，沿边缘运动的只有自旋向下的电子。自旋和电荷运动方向的“锁定”机制和边缘通道的数量取决于材料本身。一、序言--电子的电荷与自旋二、自旋电子学的几个重要发现层间反铁磁耦合、巨磁电阻、隧穿磁电阻、半金属、磁性半导体、拓扑绝缘体、自旋霍尔效应三、电子自旋注入半导体四、硬盘垂直磁存储技术五、几种激烈竞争的存储技术六、我们的研究工作七、我们的实验室内容提要

ll

lsdsemiconductors2002000semimetals>50>500s-bandmetals30300d-bandmetals5.00.930不同材料的自旋扩散长度lsd有机物材料室温下的自旋迟豫时间10-7到10-5秒，长于金属中的10-9秒。三、电子自旋注入半导体自旋注入方式(STM).欧姆接触弹道点接触隧道注入热电子注入(STM)Spininjection自旋检测自旋阀检测电位计检测n,ptypeP-GaAs(100)P-AlGaAs570nmAlGaAs75nmGaAs50nmAlGaAs15nmAlGaAs100nmGaAs5nmMgO3nmCoFe5nmTa10nmLEDsOpticalDetection光检测全半导体磁隧道结Ga1-xMnxAs(x=3.3%)Ga1-xMnxAs(x=4.0%)AlAs50nm50nm3nm低温8K测量TMR~70％(铁磁半导体电极)PRL87(2001)026602多场调控:未来的自旋场效应晶体管磁性半导体或磁性半金属极化光调控载流子电场调控载流子浓度、自旋方向磁场调控自旋方向半导体中极化电子的输运自旋注入磁性半导体或磁性半金属高介电材料一、序言--电子的电荷与自旋二、自旋电子学的几个重要发现层间反铁磁耦合、巨磁电阻、隧穿磁电阻、半金属、磁性半导体、拓扑绝缘体、自旋霍尔效应三、电子自旋注入半导体四、硬盘垂直磁存储技术五、几种激烈竞争的存储技术六、我们的研究工作七、我们的实验室内容提要四、硬盘垂直磁存储技术磁头磁盘(表面的多层磁存储材料薄膜也称为磁媒)基片(铝质或钢化玻璃)硬盘存储器成机(驱动器)IBMRAMAC19552kbits/in250x24”diadisksMicrodrive20041x1”diadiskSize:4×3×0.5cm8Gbyte5Mbyte

Seagate2004108Gbits/in23x3.5”disks400Gbyte磁盘片发展过程2013年6Tbyte硬盘磁记录发展历史薄膜磁头磁电阻磁头巨磁电阻磁头磁记录介质的超顺磁效应100Gb面密度Mbit/in21Gb

磁材料发展方向2006年度世界硬盘存储器技术开始全面转向垂直磁存储技术常规纵向记录

反铁磁耦合纵向记录

垂直记录

钌厚度三个原子层，两磁性层反平行耦合反铁磁耦合介质--AFC

最后一代LMR和第一代PMR磁存储层结构和合金组份是关键技术开发的基点Deskstar7K1000*1000/750GB–SATA*最大磁录密度为每平方英寸148GB*最大磁碟数据传输速率为1,070Mb/s*平均寻道时间（包括指令执行时间）为8.7毫秒*转速7200RPM，平均延迟时间为4.17毫秒*高26.1毫米（最大）*重700g（最大）*5/4磁碟，10/8录写磁头–SATA*300G/1ms震动（非作业避震）*9.0（5磁碟）/8.1（4磁碟）瓦特省电空闲–SATA*一般空闲声量：2.9贝尔*作业温度：摄氏5至60度2007年第一季度上市，有750GB和1TB两种容量。日立环球存储科技（HitachiGST）公司一、序言--电子的电荷与自旋二、自旋电子学的几个重要发现层间反铁磁耦合、巨磁电阻、隧穿磁电阻、半金属、磁性半导体、拓扑绝缘体、自旋霍尔效应三、电子自旋注入半导体四、硬盘垂直磁存储技术五、几种激烈竞争的存储技术六、我们的研究工作七、我们的实验室内容提要硬磁盘

五、几种激烈竞争的存储技术(垂直磁记录)闪存FlashMRAM读写速度机械运动连续磁介质非连续磁介质图形磁介质热辅助垂直记录氧化物存储相变存储PRAMReRAM赛道存储高存储密度读写速度快无运动部件完全是微电子工艺闪存Flash价格偏高读写循环次数少寿命？浮动栅用量子点或纳米颗粒发现了电致各向异性电阻、磁电阻效应氧化物存储技术有可能成为信息存储器件的新原理SrTiO3La0.67Ca0.33MnO3RI100nmAB处理电脉冲电阻变化“1”“0”+-大电流处理小电流测量

首先通入大电流写入，通入小电流沿不同方向测量电阻,进行读出.A电极电极PrCaMnO3相变存储技术Tx：晶化温度Tm：熔点Tg：玻璃化温度相变材料的特性：从熔点冷却到室温形成非晶态；从室温升到晶化温度以上，低于熔点，冷却下来为晶态。晶态电阻小(读为“0”)，非晶态电阻大(读为“1”)。电极相变材料绝热层绝热层电极大电流擦除；中电流写入；小电流读出TgTmTx写入读出擦除GeSbTe《赛道》存储器表一:几种典型易失/非易失存储器的性能参数存储器DRAMSRAMFlashFRAMPhasechangeMemoryMRAMReRAM非挥发性无无有有有有有写入功率低低高低低高低写入电压低低高低－中低读出电压变化范围100－200mV100－200mVDelta

电流-－20－40％10X-1000X写入时间50ns8ns1μs30ns10ns30ns10ns擦除时间50ns8ns10ms30ns50ns30ns30ns读取时间50ns8ns50ns30ns20ns30ns20ns写入能量中高高低低中低高密度的技术困难电容容量晶体管数目绝缘层

厚度强诱电

体面积曝光技术写入电流曝光技术擦写次数无限制无限制1051061015>101210151015一、序言--电子的电荷与自旋二、自旋电子学的几个重要发现层间反铁磁耦合、巨磁电阻、隧穿磁电阻、半金属、磁性半导体、拓扑绝缘体、自旋霍尔效应三、电子自旋注入半导体四、硬盘垂直磁存储技术五、几种激烈竞争的存储技术六、我们的研究工作七、我们的实验室内容提要CoO1-x

ZnO1-v

氧离子或氧空位氧离子（氧空位）迁移引起类氧化-还原反应：氧离子库

CoO1-x

金属-绝缘体转变解决的关键问题：●能否把记忆电阻与磁电阻集成在一个器件中，获得多电阻态●实现既可电控又可磁控

Co/CoO1-x-ZnO1-v/Co1.电致电阻与磁电阻复合的自旋记忆电阻器

结构：Cr/Ag/Co10nm/CoO-ZnO2nm/Co30nm/Ag

生长关键：控制氧分压，控制CoO-ZnO绝缘层的载流子浓度生长

2nmZnO

的最佳氧分压范围：0.25-0.30%.Co/CoO-ZnO/Co

异质结示意图ScientificReports4(2014)3835HRS高阻态I-V非线性，隧穿导电

LRS低阻态

I-V线性，金属导电Co10nm/CoO-ZnO2nm/Co30nm的电致电阻效应高阻态到低电阻的电阻变化约40倍高低阻态的室温磁电阻与磁滞回线可用电场调控磁电阻！得到了4个电阻态！TMR~15%高阻态CPP-GMR~2.5%低阻态高低阻态的低温磁电阻与磁滞回线电场调控的交换偏置场：HRS:HE~670Oe

LRS:HE~160Oe

TMR=2P1P2/(1-P1P2)=68%P1=35%,P2=72%

增强的磁电阻及其机理：Bandstructure

?~similartoFe/MgO/Fe2.Coulombblockadeeffect?Tunnelingofnon-selectrons?Cod~80%Co/CoO-ZnO/Co

异质结的阻变机理纯

CoO

良好反铁磁绝缘体,纯Co良好的铁磁金属ZnO1-v

的电阻远小于CoO1-x

在电场作用下，氧离子（或氧空位）在ZnO1-v与CoO1-x

之间迁移，使CoO1-v发生金属--绝缘体转变。ScientificReports4(2014)3835Co/CoO/Co异质结的第一原理计算CoO

绝缘体Co/CoO

界面金属自旋极化P=73%CoO1-v金属V=0.25(a)高磁化强度600emu/cm3居里温度高于室温Appl.Phys.Lett.4(2004)2376Appl.Phys.Lett.89(2006)0425012.浓磁半导体材料---高磁化强度、大磁电阻、大克尔角(c)大克尔角！0.72度(b)大磁电阻

-35%Zn0.2Co0.8O：P=36%Ti0.24Co0.76O2：P=22%JPCM18(2006)10469JAP100(2006)103901

自旋依赖的变程跃迁自旋极化率交换作用Ti0.24Co0.76O2Zn1-xCoxO浓磁半导体性能