1、自旋电子学及其相关领域前沿科学研究主讲人：许小红l一、一、巨磁电阻效应（巨磁电阻效应（GMRGMR）l二、隧道磁电阻效应（二、隧道磁电阻效应（TMRTMR）l三、稀磁半导体（三、稀磁半导体（DMSDMS）l一、一、巨磁电阻效应（巨磁电阻效应（GMRGMR）Peter Gruenberg彼得格林贝格尔 Albert Fert阿尔贝费尔 Fert（1988）Fe/Cr 超晶格超晶格Phys Rev.Lett.61(1988),2472Grunberg（1986）相邻磁矩反铁磁排列相邻磁矩反铁磁排列Phys Rev.Lett.57(1986),2442Parkin的贡献的贡献（1990）Co/Ru，
2、振荡周期 约12埃丘子强等丘子强等1992Fe/Mo/Fea，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（10103030纳米）纳米）自旋弛豫长度Ls（100500纳米）00)(RRRMRHN.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（minority）散射过程中没有自旋反转散射过程中没有自旋反转S电子未被电子未被d（
3、majority）电子散射，）电子散射，对电导贡献大对电导贡献大 （d 在在Fermi面没有状态面没有状态)S 电子电子 被被d(minority)电子散射，电子散射，对电导贡献小对电导贡献小 (d 有效质量太大有效质量太大)结果：结果：电导的自旋相关因子电导的自旋相关因子1 计入Spinflip 散射（热自旋波散射），高温电阻率低温电阻率（Spinflip 散射 ）40按Mott模型（看上图）1，电子自旋与所在层磁矩电子自旋与所在层磁矩 相同时，相同时，s电子与（Majority）d 电子散射弱，电子自旋与所在层磁矩电子自旋与所在层磁矩 相反时，相反时，s电子与（Minority）d 电子散
4、射强。RR RR2，如果，平均自由程如果，平均自由程 （单层厚度）（单层厚度）磁电阻比率磁电阻比率其中，其中，222221111RRRRRRRMRt1RRField kA/m-15-10-5051015R/R%012345678M1M2M1M2M1M2M1M2Field kA/m-10100M T-1,5-1,0-0,50,00,51,01,5NiFe2.8nm/Co2.1nm/Cu2nm/Co3nm M/MSHAFMAFMAFMHEBR/RH0HEBAFMAFMAFMM(H)magnetizationR(H)magnetoresistancehigh magnetoresistance fi
5、eld sensitivityField a.u.-1,5-1,0-0,50,00,5R a.u.HFHEBR+RRFeMn/Ni80Fe20/Cu/Ni80Fe20%10%100HSRRRRField kA/m-30-20-10100 M T-0,8-0,40,00,40,8HEBFeMn/NiFe/Cu/NiFe上下自旋平行时电子上下自旋平行时电子容易通过容易通过-低电阻态低电阻态上下自旋反平行时电上下自旋反平行时电子被散射子被散射高电阻态高电阻态l二、隧道磁电阻效应（二、隧道磁电阻效应（TMRTMR）l1975 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
6、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。l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。隧道磁电阻隧道磁电阻l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，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。lTMR和GMR都可以在室温使用！l19972005年计算机硬盘的读
7、头使用GMR，l2004年至今计算机硬盘的读头大部分使用TMR。隧道磁电阻隧道磁电阻ConductorTunneling barrierGMR自旋阀自旋阀TMR 磁性隧道结磁性隧道结BufferBufferAntiferromagnetAntiferromagnet输运核心输运核心磁钉扎体系磁钉扎体系Spin-valve-type structures隧道磁电阻隧道磁电阻隧道磁电阻隧道磁电阻隧道磁电阻效应隧道磁电阻效应：Resistance in parallel magnetization configuration：Resistance in antiparallel magnetizat
8、ion configurationResistanceMagnetic field0隧道磁电阻隧道磁电阻FM(Co(001)NM(Cu(001)(Al-O)FM(Ni-Fe)1S2S自旋相关散射自旋相关散射(磁电阻效应磁电阻效应)上下自旋平行时电子容易通过上下自旋平行时电子容易通过-低电阻态低电阻态上下自旋反平行时电子被散射上下自旋反平行时电子被散射高电阻态高电阻态伪自旋阀伪自旋阀自旋阀自旋阀反铁磁耦反铁磁耦合自旋阀合自旋阀Capping layerTaTaTaFree layerNiFe,CoFe,CoFeBNiFe,CoFe,CoFeBNiFe,CoFe,CoFeBTunnel barri
9、erAlO,MgOAlO,MgOAlO,MgOReference layerCoFe,CoFeBSpacer layerRuPinned layerCoFeCoFeCoFePinning layerIrMn,PtMnIrMn,PtMnSeed layerNiFe,NiFeCrNiFe,NiFeCrUnder-layerTaTaTaMagnetic field,H R/Ro隧道磁电阻隧道磁电阻最新进展量子振荡最新进展量子振荡 TMRLspacer layerTMRCleanDisorderedspacerLEFkFkcpFMINMFM隧道磁电阻隧道磁电阻“MIM”振荡波和衰减波振荡波和衰减波 电
10、子的穿透率 用 WBK 方法计算波函数22iittintranVVJJT结果：简化：位垒 与坐标无关，（1）强入射、弱势垒 入射能量入射能量 E接近 V0、绝缘层绝缘层很窄(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。IdxEVmhTxx2exp22exp21 12022expXXEVmhT应该计入应该计入 FermiDirac 统计统计(1)(2)电子(2)(1)电子隧穿电流隧穿电流 重要物理结论：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,.）Efrx
11、rxrdEEEfdEmVThmN000232124EfrxrxrdEeVEEfdEmVThmN00023222421NNeJ不同的不同的“两电极性质两电极性质”和和“势垒、宽、高度势垒、宽、高度”(物理含义物理含义!)名称名称 势垒势垒 电极电极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.“FMI FM”结发现 M Julliere（1975）；再发现T Miyazaki（1995）Moodera（1995）隧道磁电阻效应的物理机制隧道磁电阻隧道
12、磁电阻隧穿电流隧穿电流 （近似近似!）I I 指数衰减部分指数衰减部分状态密度部分状态密度部分上左图 FM电极的磁矩彼此“平行”（注意：（注意：数值大小数值大小是是 ）上右图 FM电极的磁矩彼此“反平行”（注意：（注意：数值大小数值大小是是 ）2121exp0DDDDUAIddDD2121exp0DDDDUAIDddD比较比较“不同自旋态不同自旋态”隧穿电流的大小隧穿电流的大小?问：问：？这就是这就是TMRTMR效应效应 证明：（两个数自乘之和必大于互乘的证明：（两个数自乘之和必大于互乘的2 2倍）倍）假设假设就有就有当然当然 不等式成立不等式成立 IIdDdDdDddDD202dDddDD0
13、2 dDTMR 比率（放大的）定义分子 分母 IIITMR2211DDDD2121DDDDTMR的的公式公式（用自旋极化率 表示）第一个电极 第二个电极 简单代数运算，就得到简单代数运算，就得到 Julliere的公式，的公式，11111DDDDp 22222DDDDp212112PPPPTMR“保守的保守的”Julliere的公式的公式例子，例子，如果，以Fe和Co 作为电极，那么 TMR比率比率0.26 JulliereJulliere公式只考虑了电极，没有考虑势垒层的公式只考虑了电极，没有考虑势垒层的作用作用IIITMR212112PPPPTMR34.0,44.021CoPFep将将“M
14、IM”结中绝缘体结中绝缘体(I）换成换成“真空真空”，得，得STM。将将Julliere“FMIFM”结中绝缘体（结中绝缘体（I）换成换成“真空真空”，得自旋极化的，得自旋极化的STM。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（2001）lTaN(10)/IrMn(250)/Co84Fe16(8)/30Co70Fe30(3)/MgO(3.1)/Co84Fe16(15)/TaN(12.5)。单位为纳米。lMgO绝缘层断
15、面的高分辨电子显微镜相片。l具有清晰的（001）MgO层结晶取向。大的原子为Fe黑的原子为氧小的为Mgl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l少子能带高于费米能级1111l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Dl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1l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。l在非晶体Al
16、2O3结，在Z方向动量不守恒，从而衰减严重。l电子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GMR传感器的物理学原理TMR和GMR的应用非磁层非磁层磁层磁层1磁层磁层2磁性随机存储器磁性随机存储器结构结构:原理原理:记录介质记录介质优点：优点：断电时存储的信息不丢失断电时存储的信息不丢失非易失性的非易失性的不同电子自旋排列表示不同电子自旋排列表示“0”和和“1”Write“0”Write“0”Write“1”Write“1”2003 First MRAM chips sold by Cypress,128KBi
17、tTMR和GMR的应用88年，第一阶段：发现磁性金属多层膜巨磁电年，第一阶段：发现磁性金属多层膜巨磁电阻效应，建立了阻效应，建立了“磁电子学磁电子学”。95年，年，第二阶段：第二阶段：在研究在研究非磁半导体的自旋注非磁半导体的自旋注入中建立了入中建立了“自旋电子学自旋电子学”一门新兴学科一门新兴学科的诞生。的诞生。小小 结结物理基础：巨磁电阻物理基础：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全金属磁性纳米结构 的的 GMR (Cr/Fe)n 1988年年 Co-Cu颗粒系统颗粒系统 1992年年B.钙钛矿结构锰氧化
18、物的庞磁电阻钙钛矿结构锰氧化物的庞磁电阻 Colossal MR (CMR)1993年年 强关联电子系统，自旋，轨道，电荷强关联电子系统，自旋，轨道，电荷，关联电子关联电子学学C.隧穿磁电阻隧穿磁电阻（Tunneling MR）FM/I/FM 隧道结隧道结 1995年年 隧穿型纳米结构隧穿型纳米结构 1996年年阶段一：磁电子学阶段一：磁电子学D.稀磁半导体（稀磁半导体（Diluted magnetic Semiconductor,DMS）自旋注入进非磁半导体自旋注入进非磁半导体 铁磁金属铁磁金属/非磁半导体非磁半导体阶段二：自旋电子学阶段二：自旋电子学l三、稀磁半导体（三、稀磁半导体（DMS
19、DMS）l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。l1980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。l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稀磁半导体的制备设备分子束外延（分子束外延（MBEMBE）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过自旋来控制电流？(自旋极化电流)e-e-e-
20、e-e-有热效应、功耗spinspinspinspin无热效应、功耗何为自旋电子学？现代信息技术现代信息技术：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使用电子电荷特征来操控器件以获得不同功能 例如例如,二极管二极管,晶体管晶体管,光电器件光电器件(探测器和激光器探测器和激光器.)自旋电子学自旋电子学:使用电子自旋来获得新的或优化的功能器件使用电子自旋来获得新的或优化的功能器件-自旋晶体管自旋晶体管 内存内存(高速，低功耗高速，低功耗),可调的探测器和激光器可调的探测器和激光器,量量子计算机等子计算机等.P
21、olarization upPolarization downNo informationInformation=1Information=0Spin direction randomPolarization=0自旋量子计算机Spin-LED有了有了GMR，还需要，还需要DMS吗？吗？Field of Spintronics:Essential to develop a semiconductor free from cluster&secondary phase Having ferromagnetically polarized carriers at Troom Spin&Charge
22、of the carriers can be coupled with an external field Control devicesElectronchargeSpintronicsSpinThe ideal material retains the properties of the“host”semiconductor&adds FM at TroomOZnTMWhat 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？稀磁半导体稀磁半导体So far,sever
23、al models 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 fre
24、e path greater than lattice spacing)Three possible types of conductivity2EAekT1TTBe0Fknemne22aAntiferro Isolated ionIsolated polaronpairOverlappingpolaronsHigh resistance regimeThe donors defects tend to form bound magnetic polarons,coupling the 3d moments of the ions within their orbits.Provided th
25、e orbit is large enough,overlap between a hydrogenic electron and the cations within its orbit leads to ferromagnetic exchange coupling between themAs the density of defects increases,the hydrogenic orbitals associated with the randomly distributed defects overlap.At the percolation thresh-hold,ferromagnetism sets in.ElectronsHolesImpurity bandn(E)EAgain,TM supplies the magnetic moments and the carriersDonor leveln-Type Ferromagnetisml论述GMR和TMR的应用以及对信息存储产业带来的影响。谢 谢！Thank you for your attentionThank you for your attention
