《磁电子学讲座第三讲磁性金属多层膜中的巨磁电阻效应3》由会员分享，可在线阅读，更多相关《磁电子学讲座第三讲磁性金属多层膜中的巨磁电阻效应3（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、3 中国科学院“九五”重大项目1996 年 10 月 14 日收到初稿 ,1996 年 12 月 12 日修回磁电子学讲座第三讲磁性金属多层膜中的巨磁电阻效应 3姜 宏 伟(中国科学院物理研究所 ,北京 100080)摘 要 在许多磁性金属多层膜系统中都存在巨磁电阻效应 ,这些系统是由厚度为几个纳米的磁层与非磁层交替重叠而构成 . 出现巨磁电阻效应的必要条件是系统的磁化状态能被外加磁场所改变 . 该效应的物理原因是传导电子在界面处或磁层内的所谓自旋相关散射 . 层间耦合随隔离层厚度变化而振荡的现象 , 在隔离层为非磁过渡金属和贵金属的系统中普遍存在 . 自旋阀多层结构在信息存储技术中磁电阻“读
2、出”头方面极具应用前景 .关键词 多层膜 ,巨磁电阻 ,层间耦合通过信息高速公路 , 可以将一部电影的完整信息传送到个人计算机的硬磁盘上 ,或者接收图像新闻、观赏体育比赛实况 , 或者坐在家里和远在学校教室里的同学一起上课 . 这些设想曾经被人们认为是十分遥远的 , 因为“动态图像”的信息量巨大 ,个人计算机硬磁盘存储量不敷需要 ,可写光盘存取速度太慢 , 价格贵 ,难普及 . 但是 ,随着信息存储技术的突破 , 它们即将变成现实 . 据报道 , 美国国家存储工业协会 (NSIC)和日本存储研究会 ( SIC) 都计划在2001 年实现每平方英寸 200 亿位字节存储密度的技术开发目标 ,届时
3、 , 个人计算机硬盘的总容量将突破 1000 亿字节 . 动态图像的传送、存储和处理的普及将极大地改变人们的社会生活方式 . 而实现这一突破的关键 , 则是厚度不足万分之一毫米 (几十纳米 ) 的磁性金属多层膜 . 在这种薄膜中 ,存在一种新奇的物理现象巨磁电阻效应 (giant magnetoresistance , 缩写为 GMR) .我们知道 , 磁场可以使许多金属的电阻发生改变 , 只不过变化率很小 ,一般不超过 2 % 3 % , 这种由磁场引起的电阻变化被称为磁致电阻 (magnetoresistance , 缩写为 MR) .1988 年 , Baibich 等人报道了惊人的发现
4、 1 , 在由 Fe , Cr 交替沉积而形成的多层膜(Fe/ Cr) N ( N 为周期数 ) 中 ,发现了超过 50 %的磁电阻变化率 . 由于这个结果远远超过了多层膜中 Fe 层 MR 的总和 ,所以这种现象被称为巨磁电阻效应 ( GMR) . 图 1 是这种多层膜的结构示意图及电阻变化率 R/ R 与外加磁场H 的关系曲线 . 随后 ,世界各国的许多实验室相继开展了 GMR 的研究工作 ,在短短几年的时间里取得了引人注目的理论及实验成果 ,并使研究成果迅速进入应用领域 . 1995 年 ,美国物理学会将 GMR 效应列为当年凝聚态物理中五个研究热点的首位 .本文将对 GMR 现象的发现
5、、磁性金属多层膜中 GMR 效应的特点及 GMR 材料的应用前景作一简单介绍 .1 GMR 效应的发现GMR 效应的发现并非偶然 , 它是长期以来人们对磁性本质问题探索的结果 , 而近代人工微结构高技术的发展为 GMR 效应的发展提供了技术条件 .早在 1856 年 ,英国著名物理学家 W1 汤姆孙就发现了磁致电阻现象 . 但是 ,直到本世纪265 物理图 1(a) Fe/ Cr , Co/ Cu 多层膜的电阻变化率与外磁场的关系曲线 ;(b) 多层膜结构示意图 ;(c) 四探针法示意图20 年代 ,量子力学理论建立以后 ,物理学家才能解释该现象的成因 . 针对铁磁性过渡金属元素非整数磁矩问题
6、 ,Stoner 提出了能带劈裂交换模型 (见图 2) . 由于交换作用 ,对磁矩有贡献的 d 电子的能带产生劈裂 , 自旋向上的 d 电子能带降到费米能级以下 ,因而 ,自旋向下的电子要比自旋向上的电子少 ,二者的差异造成了铁磁过渡金属元素原子磁矩的非整数性 .图 2 过渡金属的态密度函数 N ( E) 示意图受这一模型的启示 ,英国著名物理学家、诺贝尔奖获得者 N1F1Mott 提出一个关于铁磁性金属导电的理论 ,即所谓二流体模型 : Mott 认为 ,在铁磁金属中 ,导电的 s 电子要受到磁性原子磁矩的散射作用 (即与局域的 d 电子作用 ) ,散射的几率取决于导电的 s 电子自旋方向与
7、固体中磁性原子磁矩方向的相对取向 . 进一步的实验表明 ,自旋方向与磁矩方向一致的电子受到的散射作用很弱 ,自旋方向与磁矩方向相反的电子则受到强烈的散射作用 . 而传导电子受到散射作用的强弱直接影响到材料电阻的大小 . 1986 年 ,德国人 P1 Grunberg2 在 Fe/ Cr/ Fe三明治结构中发现 ,当 Cr 层厚度合适时 ,两 Fe层之间存在反铁磁耦合作用 . 根据这一结果 ,几十年来一直致力于研究薄膜中磁致电阻现象的法国巴黎大学的物理学家 A. Fert 设计了图 1所示的 ( Fe/ Cr) N 多层膜 ,成功地使磁电阻效应得到放大 ,使之成为巨磁电阻 . 随后 ,大量的工作
8、表明 , GMR 效应广泛存在于过渡金属36526 卷 (1997 年 ) 9 期磁性多层膜、纳米尺度的磁性颗粒膜、自旋阀结构、磁隧道结以及氧化物薄膜中 .在这里有必要提一下美国 IBM 公司的S. S. Parkin对 GMR 工作所作的贡献 . 早期报道存在 GMR 现象的多层膜样品 ,都是用分子束外延法 (MBE)制备的 , 这是一种超高真空镀膜技术 ,在镀膜过程中 ,平均每分钟才形成一个单原子层 ,可想而知 ,这一定是一种十分复杂、精密而且价格昂贵的设备 . 这当然限制了GMR 的研究范围 . 1990 年 , S. S. Parkin 等人 3 在用磁控溅射法制取的多晶 ( Fe/
9、Cr) N ,(Co/ Ru) N 多层膜中观察到了 GMR 现象和层间耦合振荡 . 从此 , GMR 的研究工作得到了极大的推进 ,因为磁控溅射法的设备简单、价格低廉 . 同时 ,这也使 GMR 材料的广泛应用成为可能 .2 磁性金属多层膜中 GMR 起因的简单模型目前 , 关于 GMR 起因的理论模型 ,是以Mott 的铁磁金属电导理论为基础的 . 这里介绍关于磁性金属多层膜 GMR 起因模型的简要图像 ,它可以使大家对多层膜 GMR 的起因有一个定性的了解 .考虑在图 1 所示的多层膜样品中 , 传导电子在不同外加磁场作用下的运动情况 . 在图 3中 ,示意地画出了两种极端的情形 . 图
10、 3 (a) 是外场为零时电子的运动状态 . 此时 ,多层膜中同一磁层中原子的磁矩沿同一方向排列 ,而相邻磁层原子的磁矩反平行排列 , 这时多层膜中传导电子的运动状态是怎样的呢 ? 根据 Mott的二流体模型 ,传导电子分成自旋向上与自旋向下的两组 , 由于多层膜中非磁层对两组自旋状态不同的传导电子的影响是相同的 ,所以只考虑磁层产生的影响 .由图 3 (a)可见 ,两种自旋状态的传导电子都在穿过磁矩取向与其自旋方向相同的一个磁层后 ,遇到另一个磁矩取向与其自旋方向相反的磁层 , 并在那里受到强烈的散射作用 ,也就是说 ,没有哪种自旋状态的电子可以穿越两个或两个以上的磁层 . 在宏观上 , 多
11、层膜处于高电阻状态 ,这可以用图 3 (c) 的电阻网络来表示 . 其中 R r. 图 3 (b) 是外加磁场足够大 ,原本反平行排列的各层磁矩都沿外场方向排列的情况 . 可以看出 ,在传导电子中 ,自旋方向与磁矩取向相同的那一半电子可以很容易地穿过许多磁层而只受到很弱的散射作用 ,而另一半自旋方向与磁矩取向相反的电子则在每一磁层都受到强烈的散射作用 . 也就是说 ,有一半传导电子存在一低电阻通道 . 在宏观上 , 多层膜处于低电子状态 . 图 3 (d)的电子网络即表示这种情况 . 这样就产生了 GMR 现象 .上述模型的描述是非常粗略的 , 而且 ,只考虑了电子在磁层内部的散射 ,即所谓的
12、体散射 . 实际上 ,在磁与非磁层界面处的自旋相关散射有时更为重要 ,尤其是在一些 GMR 较大的多层膜系统中 ,界面散射作用占主导地位 .从以上分析中不难看出 , 能够产生 GMR现象的多层膜系统必须满足以下几个条件 :(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 . 更一般地说 ,体系磁化状态可以在外磁场作用下发生改变 .(2) 每一单层的厚度要远小于传导电子的平均自由程 .(3) 自旋取向不同的两种电子 (向上和向下 ) ,在磁性原子上的散射差别必须很大 .3 GMR 及层间耦合的振荡现象在具有 GMR 效应的多层膜系统中 ,存在着一种 GMR 数值随非磁层厚度变化而周期性振
13、荡的现象 , 这种现象已成为多层膜系统GMR 的特征 .图 4 是 Co/ Cu 多层膜系统 GMR 随 Cu 层厚度 tCu变化的曲线 . 可以看到 ,在 tCu = 019 ,119 ,310nm 处 ,分别有一明显的峰值 ,不仅如此 , 随非磁层厚度的变化 , 多层膜中磁层的层间耦合状态也出现铁磁 反铁磁振荡 , 对应于465 物理图 3(a) 相邻磁层磁矩反平行排列 ; (b) 相邻磁层磁矩平行排列 ;(c) 磁矩反平行排列时电阻网络示意图 ; (d) 磁矩平行排列时电阻网络示意图图 4 Co/ Cu 多层膜的 R/ R 与Cu 层厚度 t Cu的关系曲线GMR 峰值处 , 层间耦合为
14、反铁磁状态 .实验发现 , 在由 Fe ,Co ,Ni 及它们的合金与非磁性过渡金属或贵金属元素构成的多层膜系统中 , 无论是否有 GMR 现象 , 都存在层间磁矩耦合的振荡现象 4 , 振荡周期有一个普适的值 , 大致在 1 112nm 之间 . 但 Cr 元素除外 ,它的振荡周期大约为 118nm. 此外 , 在Fe/ Cr/ Fe单晶楔中 ,不仅观察到了长周期的层间耦合振荡现象 , 而且还发现了一种周期仅为两个 Cr 原子层的短周期振荡现象 . 这种通过非磁层为媒介的磁层间交换作用的机理是许多理论研究的课题 , 有兴趣的读者可参阅文献 3 ,5 .另外 , 利用层间耦合振荡现象可以观察磁
15、层、非磁层材料费米面的拓扑结构 .56526 卷 (1997 年 ) 9 期4 GMR 与多层膜结构的依赖关系磁性金属多层膜的饱和 GMR 值强烈依赖于多层膜的具体结构 ,如磁层、非磁层的厚度和结构 ,周期数 N , 缓冲层的成分及厚度等 . 此外 ,制膜的条件 ,如基片的温度、溅射速率、溅射气压等也能影响到样品的性能 . 这意味着 , 同样成分、结构的样品 ,如果制备条件有差异 , 将失去可比性 . 因此 ,在实验中保证样品制备条件的稳定性是十分重要的 .411 GMR与多层膜周期数 N 的关系决定磁性金属多层膜总厚度的周期数 N是多层膜结构方面的一个重要的量 . 多层膜GMR 值的大小通常
16、与它有很大的关系 . 实验表明 ,随 N 的增加 , GMR 值也增大 , 当 N 达到一定值时 , GMR 值趋近饱和 . 这一结果可以简单解释为 :当 N 很小时 ,膜的厚度较小 ,由于膜表面的散射作用 ,膜电阻很大 ,这导致 GMR效应变小 . 当 N 增加到使膜厚达到可与传导电子的平均自由程相比时 , GMR 值开始趋向饱和 . 当然 ,膜厚增加会影响到多层膜中晶粒的生长情况 , 不同膜厚产生的大量晶界变化也将影响到 GMR 的值 .412 GMR与磁层厚度的关系前面介绍的 GMR 模型的一个基本假设就是导致 GMR 现象的传导电子的自旋相关散射只发生在磁层内部即体散射 . 可以很容易地把这个模型推广到把界面处自旋相关散射的影响也包括进去 , 即在网络中加入新的电阻 . 这时 ,体散射和界面散射的相对贡献问题就变得很重要了 . 这也是一个研究热点 . 通常采取的做法是改变磁层的厚度 ,以引起磁 / 非磁界面
