1、自旋电子材料自旋电子材料(磁性磁性+电性电性)北京航空航天大学北京航空航天大学 Magnetism is originated from the motion of electrons around the nucleus(planetary like motion)TLS-The magnetic moment due to orbital motion:The magnetic moment due to spin motion:Origin of Magnetism巨磁阻和巨磁阻材料巨磁阻和巨磁阻材料磁阻磁阻-Magnetoresistance(MR)磁阻磁阻由磁性引起的附加电阻由磁性引
2、起的附加电阻n 一百多年以前一百多年以前知道外加磁场可改变电阻值的知道外加磁场可改变电阻值的大小大小n 在非磁性金属中磁阻产生的原因是在非磁性金属中磁阻产生的原因是Lorentzn 在磁性金属中磁阻是由于量子效应中的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耦合引起的，也就是各向异性磁阻n 然而这些电阻的变化一般较小，因此其应用价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值也较有限，主要是作一些简单的传感器磁阻磁阻-Magnetoresistance(MR)n 几乎所有金属、合金和半导体中都存在磁阻，它是磁场几乎
3、所有金属、合金和半导体中都存在磁阻，它是磁场中物质的附加磁阻（中物质的附加磁阻（W.Thomson 于于1857年发现），即年发现），即n 磁阻由洛仑兹力引起，与磁场（磁化）方向有关磁阻由洛仑兹力引起，与磁场（磁化）方向有关n 巨磁阻巨磁阻-Giant Magnetoresistance(GMR)n 巨磁阻发现的前期工作是巨磁阻发现的前期工作是1986年年Grnberg对对Fe/Cr/Fe三层膜的研究三层膜的研究n 他们最初的研究目的是研究超薄他们最初的研究目的是研究超薄Cr薄膜的反常特性薄膜的反常特性n 意外发现在适当的厚度下，通过意外发现在适当的厚度下，通过Cr膜的中介，两个膜的中介，两个
4、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。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（，外磁场使其磁化转向，转化为铁磁模式（FM）。）。n 这种结构由被非磁隔离层这种结构由被非磁隔离层(NM-layers)分开的薄铁磁层分开的薄铁磁层(FM-layers)组成组成n 非磁隔离层的存在使得相邻铁磁非磁隔离层的存在使得相邻铁磁层存在交换耦合作用，即它们磁化层存在交换耦合作用，即它们磁化方向处于反平行状
5、态（方向处于反平行状态（AF）n 这种耦合作用可以用这种耦合作用可以用Ruderman-Kittel-Kasuya-Yoshida(RKKY)模模型解释型解释n 外磁场外磁场H克服层间耦合可使所有克服层间耦合可使所有磁层的磁化方向从反铁磁模式磁层的磁化方向从反铁磁模式(AF-mode)同时转换为平向方向，即铁同时转换为平向方向，即铁磁模式磁模式(F-mode)。n 1988年发现三层结构推广到多层时，在室温下其年发现三层结构推广到多层时，在室温下其磁阻超过磁阻超过10%；n 为了强调磁阻显著的变化，特意在这种为了强调磁阻显著的变化，特意在这种“磁阻磁阻”（“MR”）之前加上）之前加上“巨巨”（
6、“giant”），而称为），而称为“巨磁阻巨磁阻”（“GMR”）。）。n 两个研究团队分別在两个研究团队分別在4.2K4.2K温度温度和室温下，对各自研制的磁性多和室温下，对各自研制的磁性多层薄膜系统磁电阻予以测量，层薄膜系统磁电阻予以测量，n FertFert教授在教授在4.2K 4.2K 的低温，在的低温，在(Fe/Cr)n(Fe/Cr)n，n=60n=60系统中测量得系统中测量得到到50%50%磁阻变化，磁阻变化，n Grunberg Grunberg教授則在室温下，测教授則在室温下，测量量Fe/Cr/FeFe/Cr/Fe三明治结构，测得大三明治结构，测得大約約1.5%1.5%的磁阻变化
7、，随后又在的磁阻变化，随后又在低溫下低溫下Fe/Cr/Fe/Cr/Fe Fe/Cr/Fe/Cr/Fe 系统中系统中测得约测得约10%10%的磁阻变化率。的磁阻变化率。Albert FertPeter Grunberg 后来的研究中，巨磁阻越来越显著。后来的研究中，巨磁阻越来越显著。n法国科学家费尔和德国科学家格林贝格尔因发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现巨磁阻效应而荣获2007年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖n瑞典皇家科学院发布的颁奖声明称，他们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年各自独立发现了一种全新的物理效应应巨磁电阻巨
8、磁电阻n即一个微弱的磁场变化可以在特定系统中产生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很大的电阻变化n巨磁阻将物质磁性与电荷输运结合在一起巨磁阻将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 Electronics19951995年
9、后，年后，GMRGMR的研究发展成为一门新型的学科的研究发展成为一门新型的学科-自自旋电子学旋电子学(Spin electronics)Spin electronics)主要包括利用顺磁、铁磁金属和绝缘体材料的组合的主要包括利用顺磁、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：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头计算机硬盘驱动器的读磁头非挥发磁随机存储器非挥发磁随机存储器(MRAM),(MRAM),电路隔离器（电路隔离器（circuit isolatorscircuit isolators）自旋阀传感器自旋阀传感器自旋阀自旋阀(Spin Valves)E
10、xchange-biased spin-valves were developed byDieny et al.,Phys.Rev.B43,R1297(1991).Spin configuration of an FM-AFM bilayes磁性隧道结磁性隧道结-Magnetic Tunneling Junction 磁性隧道结磁性隧道结-Magnetic Tunneling Junction 磁性隧道结磁性隧道结-Magnetic Tunneling Junction 磁性半导体磁性半导体(稀磁半导体稀磁半导体)Mechanism of Ferromagnetism in DMSDouble
11、-exchange(EDouble-exchange(EF FEEA AF F)RKKY interactionRKKY 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.There
12、fore,this parallel spin alignment induces ferromagnetism。GaMnAs材料特点材料特点n低温外延生长低温外延生长 生长温度生长温度220 oC，以阻止，以阻止MnAs形成形成.n Mn的浓度典型值的浓度典型值1 8%载流子调制铁磁体载流子调制铁磁体 p-型导电型导电 Mn替位替位Ga的位置的位置受主，或进入填隙位置受主，或进入填隙位置施施主主 不稳定的合金不稳定的合金:(磁磁)相分离相分离n 磁化层具有金属特性磁化层具有金属特性 Tc值值 110 K 在平面内或垂直方向磁化在平面内或垂直方向磁化 输运和磁化具有复杂的各向异性输运和磁化具有复杂的各向异性GaMnAs材料发展材料发展Year自旋电子现象研究进程自旋电子现象研究进程The End!
