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1、唐晓莉唐晓莉 微固学院（微固学院（215）室）室 tangtang1227 第二章第二章 巨磁电阻及隧道磁电阻效应巨磁电阻及隧道磁电阻效应 H M 第一节第一节 磁性材料及其性质磁性材料及其性质 M M：描述宏观磁体磁性强弱程度的物理量：描述宏观磁体磁性强弱程度的物理量 磁滞回线：描述磁性磁滞回线：描述磁性 材料在外场作用下的材料在外场作用下的 磁化状态磁化状态 磁磁 化化 状状 态态 沿外场方向表现沿外场方向表现 出来的磁化强度出来的磁化强度 M的大小的大小 沿外场方向磁矩的沿外场方向磁矩的 分布状态分布状态 H H H H 注：沿磁体不同方向磁化至饱和的难易程度是不同注：沿磁体不同方向磁化
2、至饱和的难易程度是不同 的。对每种铁磁体都存在一个所需能量最小和最大的。对每种铁磁体都存在一个所需能量最小和最大 的方向，前者称的方向，前者称易磁化方向易磁化方向，后者称，后者称难磁化方向难磁化方向。 H Mm Hm M MR -HcHc 当外加磁场当外加磁场H减小到零减小到零 时，铁磁体的磁化状态时，铁磁体的磁化状态 并不恢复到零，而是保并不恢复到零，而是保 留一个剩余磁化强度留一个剩余磁化强度 MR值，这种现象称为值，这种现象称为 磁滞现象磁滞现象。 当当M M值降到零时的外加值降到零时的外加 磁场强度磁场强度( (HcHc）称为）称为矫矫 顽磁场强度顽磁场强度。( (简称简称矫矫 顽力顽
3、力) ) 磁滞回线磁滞回线 第二节第二节 巨磁电阻效应机理巨磁电阻效应机理 1.1.磁阻效应磁阻效应 由外磁场的作用而导致的电阻机制有很多种，其中包括：由外磁场的作用而导致的电阻机制有很多种，其中包括： Giant magnetoresistance (GMR)巨磁电阻巨磁电阻(巨磁阻巨磁阻) Tunneling magnetoresistance (TMR)隧道磁电阻隧道磁电阻 Ordinary magnetoresistance (OMR)普通磁电阻普通磁电阻 Anisotropic magnetoresistance (AMR)各向异性磁电阻各向异性磁电阻 Ballistic magne
4、toresistance (BMR)弹道磁电阻弹道磁电阻 Colossal magnetoresistance (CMR)庞磁电阻庞磁电阻 Ordinary magnetoresistance (OMR)普通磁电阻普通磁电阻 机理：作用于运动的电子的磁场将产生洛伦兹力，导机理：作用于运动的电子的磁场将产生洛伦兹力，导 致电子或沿电流方向呈螺旋线进动或发生偏转，从而致电子或沿电流方向呈螺旋线进动或发生偏转，从而 增加了传导电子的输运路径，导致电阻增大增加了传导电子的输运路径，导致电阻增大 纵向磁场（纵向磁场（H/I)H/I)横向磁场（横向磁场（HI)HI) 普通金属都具有的普通金属都具有的 正磁
5、电阻正磁电阻 Anisotropic magnetoresistance (AMR)各向异性磁电阻各向异性磁电阻 针对磁性金属针对磁性金属 在铁磁性物质中在铁磁性物质中, ,当外磁当外磁 场与电流的夹角变化时场与电流的夹角变化时, , 样品的电阻也随之变化。样品的电阻也随之变化。 与外磁场的大小无关，与外磁场的大小无关， 只与外磁场的取向（磁只与外磁场的取向（磁 化方向）有关化方向）有关 机理：由于铁磁性物质中机理：由于铁磁性物质中3d3d电子的自旋电子的自旋- -轨道轨道 耦合耦合, ,导致了传导电子散射导致了传导电子散射(s(s- -d d散射散射) )的各向异的各向异 性性 Resist
6、ivity of Ni0.9942Co0.0058at 77K Ballistic magnetoresistance (BMR)弹道磁电阻弹道磁电阻 在铁磁体之间呈纳米接触在铁磁体之间呈纳米接触 的微型结上，若结区的颈的微型结上，若结区的颈 缩尺度为几个纳米时，电缩尺度为几个纳米时，电 子可以弹道式地通过结区，子可以弹道式地通过结区， 并呈现极大的磁电阻并呈现极大的磁电阻 弹道磁电阻测试机理图弹道磁电阻测试机理图 机理：磁畴壁对自旋电机理：磁畴壁对自旋电 子的散射子的散射 Colossal magnetoresistance (CMR)庞磁电阻庞磁电阻 2.2.巨磁电阻的发现及其产生的机理巨
7、磁电阻的发现及其产生的机理 (1)巨磁电阻巨磁电阻(GMR)的发现的发现 建立在长期对交换耦合薄膜和铁磁金属建立在长期对交换耦合薄膜和铁磁金属 （合金）中电子输运性质研究的基础上（合金）中电子输运性质研究的基础上 GrunbergGrunberg，Phys.Rev.Lett. 57 (1986) 2442 FeFe FeFe CrCr 1nm1nm FeFe FeFe CrCr 最初研究目的：以单原子层为单位改变夹最初研究目的：以单原子层为单位改变夹 在两铁磁层之间的在两铁磁层之间的Cr厚度，研究具有反常厚度，研究具有反常 反铁磁性金属反铁磁性金属Cr在制成超薄膜后的行为在制成超薄膜后的行为
8、当当Cr层厚度增加至层厚度增加至1nm时相邻铁磁薄膜发时相邻铁磁薄膜发 生了从铁磁耦合向生了从铁磁耦合向的渡越的渡越 Peter Grnberg 反铁磁耦合反铁磁耦合 (1)(1)巨磁电阻巨磁电阻(GMR)(GMR)的发现的发现 Baibich，Phys. Rev. Lett. 61, 24722475 (1988) Fe/Cr多层膜的多层膜的R(H) 研究目的：弄清层间耦合的机理研究目的：弄清层间耦合的机理 电阻测量：电阻测量：Fe(3nm)/Cr (0.9nm)40超晶格在超晶格在4.2K和和2T 的磁场下电阻剧降导零场的的磁场下电阻剧降导零场的 一半，即使在室温下电阻变一半，即使在室温下
9、电阻变 化率也有化率也有17%，远大于，远大于AMR GMR效应的发现效应的发现 Albert Fert 巨磁阻效应巨磁阻效应 巨磁阻效应是指当铁磁性和非磁性金属按某种方式交替组合成的巨磁阻效应是指当铁磁性和非磁性金属按某种方式交替组合成的 材料在足够强的磁场中时电阻突然巨幅下降的现象。如果相邻铁材料在足够强的磁场中时电阻突然巨幅下降的现象。如果相邻铁 磁性材料中的磁化方向磁性材料中的磁化方向平行时平行时，电阻会变得很低；而当磁化方向，电阻会变得很低；而当磁化方向 反平行的反平行的时候电阻则会变得很大。时候电阻则会变得很大。 (2)巨磁电阻巨磁电阻(GMR)效应产生的机理效应产生的机理 二流体
10、（双电流）模型二流体（双电流）模型 早期人们为了理解超导体的零电阻现象早期人们为了理解超导体的零电阻现象，1934年戈特年戈特 （C.J.corter）和卡西米尔和卡西米尔（H.B.G.Casimir）提出一个二提出一个二 流体模型流体模型。即即, 金属处于超导态时金属处于超导态时, 共有化的自由电子分为共有化的自由电子分为 两部分两部分: 一部分叫正常电子一部分叫正常电子nn, 占总数的占总数的nn/; 另一部分叫另一部分叫 超流电子超流电子ns，占总数的占总数的nsn，这里这里nnns.两部分电子两部分电子 占据同一体积占据同一体积，在空间上相互渗透在空间上相互渗透，彼此独立地运动彼此独立
11、地运动，两两 种电子相对的数目是温度的函数种电子相对的数目是温度的函数。 基本思想：基本思想： （1 1）将传导电子的输运分成自旋向上和自旋向下两部分，分别）将传导电子的输运分成自旋向上和自旋向下两部分，分别 独立地承载电流，不同自旋电子对电阻的贡献，相当于并联的两独立地承载电流，不同自旋电子对电阻的贡献，相当于并联的两 个通道；个通道； （2 2）假设磁性金属中一段距离内传导电子自旋不发生翻转（保）假设磁性金属中一段距离内传导电子自旋不发生翻转（保 持自旋取向）持自旋取向） 1936年年, Mott将二流体模型扩展到铁磁性金属将二流体模型扩展到铁磁性金属 自旋向上和自旋向下的电阻率分别记为自
12、旋向上和自旋向下的电阻率分别记为和和 R R RR RR R 普通金属普通金属 费米面附近自旋向上和向下电子的态费米面附近自旋向上和向下电子的态 密度（密度（），传导电子的散），传导电子的散 射是自旋简并的射是自旋简并的s s电子间的散射电子间的散射 NN RR 两通道中的电阻率相同两通道中的电阻率相同 铁磁金属铁磁金属 自旋简并的电子能带分裂成非对称的自旋简并的电子能带分裂成非对称的 结构（结构（），自旋向上和向下），自旋向上和向下 的电子具有不同的散射截面和电阻的电子具有不同的散射截面和电阻 NN RR 两通道中的电阻率不相同两通道中的电阻率不相同 Co、Ni、Fe电子能态密度示意图 Co
13、和和Ni来说，自旋向下电子所经受的散射几率来说，自旋向下电子所经受的散射几率 将会大于自旋向上电子，导致将会大于自旋向上电子，导致 RR Fe的自旋相关电阻的不对称性低于的自旋相关电阻的不对称性低于Co和和Ni E Ef f 双电流模型对巨磁电阻效应的定性解释双电流模型对巨磁电阻效应的定性解释 FM1 NM FM2 ee R rr R rR2 RR2 当相邻铁磁层的磁化强度矢量平行排列时当相邻铁磁层的磁化强度矢量平行排列时, ,一个自旋态的电一个自旋态的电 子遭受很强的散射，但是另一个自旋态的电子却受到非常弱子遭受很强的散射，但是另一个自旋态的电子却受到非常弱 的散射的散射系统电阻较低系统电阻
14、较低 两磁性层平行 rR rR Rp 2 FM1 NM FM2 ee R r r R rRR RrR 两磁性层反平行 当相邻铁磁层的磁化强度矢量反平行排列时当相邻铁磁层的磁化强度矢量反平行排列时, ,无论是自旋向上无论是自旋向上 还是自旋向下电子还是自旋向下电子, ,都会遭受较强的散射都会遭受较强的散射系统的电阻较高系统的电阻较高 2 rR RAP 当多层膜的磁矩从平行状态变化到反平行状态时 )(2 )( 2 rR rR R 产生产生GMRGMR效应必须满足以下几个条件效应必须满足以下几个条件 ： (1)(1)相邻磁层磁矩的相对取向能够在外磁场作用下发生改变，相邻磁层磁矩的相对取向能够在外磁场
15、作用下发生改变， 即体系体磁化状态可以在外场作用下发生改变。即体系体磁化状态可以在外场作用下发生改变。 (2)(2)每一单层的厚度要远小于传导电子的自旋扩散长度。每一单层的厚度要远小于传导电子的自旋扩散长度。 (3)(3)自旋取向不同的两种电子，在磁性原子上的散射差别必自旋取向不同的两种电子，在磁性原子上的散射差别必 须很大。须很大。 (3)巨磁电阻巨磁电阻(GMR)效应的基本实验现象效应的基本实验现象 巨磁电阻与常规磁电阻的差别巨磁电阻与常规磁电阻的差别 常规磁电阻：常规磁电阻：正磁电阻效应正磁电阻效应 多层膜巨磁电阻：多层膜巨磁电阻： （i）负磁电阻）负磁电阻 （ii）MR值远大于常规磁电阻值远大于常规磁电阻 （iii）各向同性的磁电阻（）各向同性的磁电阻（MR与与I和和H的相对取向无关）的相对取向无关） 层间交换耦合及振荡效应层间交换耦合及振荡效应 MRMR振荡效应振荡效应 HsHs振荡效应振荡效应 Fe/Cr多层膜的多层膜的MR并不随并不随Cr层的增加而单调降低，层的增加而单调降低， 在幅值上呈现阻尼振荡效应；在幅值上呈现阻尼振荡效应；Hs类似类似 振荡周期：振荡周期：1.2-2.1nm 巨磁电阻的多样性和普遍性巨磁电阻的多样性和普遍性 A.A.普遍性普遍性 GMRGMR并非是并非是FeFeCrCr多层膜所独具的特性，由铁多层膜所独具的特
