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1、自旋电子学及其相关领域前沿科学研究,主讲人：许小红,一、巨磁电阻效应（GMR）二、隧道磁电阻效应（TMR）三、稀磁半导体（DMS）,一、巨磁电阻效应（GMR）,2007 Nobel 物理奖巨磁阻效应,巨磁电阻（GMR）效应,Fert （1988） Fe/Cr 超晶格Phys Rev.Lett. 61(1988), 2472,Grunberg （1986）相邻磁矩反铁磁排列Phys Rev.Lett. 57 (1986), 2442,FM层间的振荡耦合普适现象,Parkin的贡献（1990）Co/Ru， 振荡周期 约12埃,FM层间的振荡耦合SMOKE,丘子强等1992Fe/Mo/Fe,单层膜厚
2、度 t 的限制金属：t（2nm ） (20nm) Ls (200nm）,a，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（1030纳米） 自旋弛豫长度Ls（100500纳米）,Mott两流体模型 (1),N.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）,两流体模型（2）,散射过程中没有自旋反转S
3、电子未被d （ majority ）电子散射，对电导贡献大 （d 在Fermi面没有状态) S 电子 被d (minority )电子散射，对电导贡献小 ( d 有效质量太大) 结果：电导的自旋相关因子,两流体模型（3）测量值：Co和Ni大；Fe较小；Cu为零I.A.Cammpbell and A.Fert (1982),Mott两流体模型(4),计入Spinflip 散射（热自旋波散射），高温电阻率低温电阻率（Spinflip 散射 ）,Mott模型和GMR效应（1）,按Mott模型（看上图）1，电子自旋与所在层磁矩 相同时， s电子与（Majority）d 电子散射弱， 电子自旋与所在层磁
4、矩 相反时， s电子与（Minority）d 电子散射强。,Mott模型和GMR效应（2）,2，如果，平均自由程 （单层厚度）磁电阻比率其中，,Pseudo spin valve (PSV) M(H) & R(H),Spin-Valve (SV),M(H) magnetization,R(H) magnetoresistance,Spin valve (SV) M(H) & R(H),high magnetoresistance field sensitivity,上下自旋平行时电子容易通过-低电阻态,上下自旋反平行时电子被散射高电阻态,二、隧道磁电阻效应（TMR）,（二）隧道磁电阻（TMR）
5、的发现与新进展,1975 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。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,TMR与GMR之比较,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
6、灵敏度，且有内阻高、功耗低、输出电压高等特点。TMR和GMR都可以在室温使用！ 19972005年计算机硬盘的读头使用GMR，2004年至今计算机硬盘的读头大部分使用TMR。,隧道磁电阻,Conductor,Tunneling barrier,GMR自旋阀,TMR 磁性隧道结,Buffer,Buffer,Antiferromagnet,Antiferromagnet,输运核心,磁钉扎体系,Spin-valve-type structures,隧道磁电阻,GMR TMR,隧道磁电阻,隧道磁电阻效应,Rap,N,S,N,S,N,S,N,Rp： Resistance in parallel magn
7、etization configurationRap ： Resistance in antiparallel magnetization configuration,S,Resistance,Magnetic field,Rp,0,隧道磁电阻,FM(Co(001),NM(Cu(001),(Al-O),FM(Ni-Fe),自旋相关散射(磁电阻效应),上下自旋平行时电子容易通过-低电阻态,上下自旋反平行时电子被散射高电阻态,Pseudo-Spin valve(non-coupled),Spin valve,Sy-antiferromagnetic Spin valve,Magnetic fiel
8、d, H,DR/Ro,隧道磁电阻,最新进展量子振荡 TMR,TMR大于2000 ！,隧道磁电阻,隧穿现象,“MIM” 振荡波和衰减波 电子的穿透率 用 WBK 方法计算波函数,计算穿透率 T 自由电子平面波情况,结果： 简化： 位垒 与坐标无关，（1）强入射、弱势垒 入射能量 E接近 V0、 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。,隧穿电流 Simmons 公式！（1963）,应该计入 FermiDirac 统计(1) (2) 电子(2) (1) 电子隧穿电流 重要物理结论： 隧穿电流 指数衰减部分状
9、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,.）,几种隧穿现象的差别,不同的“两电极性质”和“势垒、宽、高度” (物理含义!) 名称 势垒 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 .,隧穿磁电阻 (TMR) 效应,“FMI FM”结发现 M Julliere（1975）；再发现T Miyazaki （1995）Moodera（1995）,TMR实验结果韩秀峰等（2000）,隧道磁电阻效应的物理机制,隧
10、道磁电阻,Julliere公式（1）,隧穿电流 （近似!）I 指数衰减部分状态密度部分上左图 FM电极的磁矩彼此“平行”（注意：数值大小是 ）上右图 FM电极的磁矩彼此“反平行”（注意：数值大小是 ）,Julliere公式（2）,比较“不同自旋态”隧穿电流的大小 ? 问： ？ 这就是TMR效应 证明：（两个数自乘之和必大于互乘的2倍）假设就有当然 不等式成立,Julliere公式（3）,TMR 比率（放大的）定义分子 分母 ,Julliere公式（4）,TMR的公式（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 Julliere的公式，,Julliere公式（5）,“保守的
11、”Julliere的公式例子，如果，以Fe和Co 作为电极， 那么 TMR比率0.26 Julliere公式只考虑了电极，没有考虑势垒层的作用,STM,将“MIM”结中绝缘体 (I）换成“真空”，得STM。将Julliere“FMIFM”结中绝缘体（I）换成“真空”，得自旋极化的STM。,结晶MgO隧道结,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）,Parkin等人报道实验值达到200。 （Natu
12、re Materials 3, 862(2004) 。,TaN(10)/IrMn(250)/Co84Fe16(8)/30Co70Fe30(3)/MgO(3.1)/Co84Fe16(15)/TaN(12.5)。单位为纳米。,日本 Shinji Yuasa 等人报道类似结果。 （Nature Materials 3, 868(2004),MgO绝缘层断面的高分辨电子显微镜相片。具有清晰的（001）MgO层结晶取向。,Fe(100)/MgO(100)/Fe(100)结晶隧道结,界面的结构,大的原子为Fe黑的原子为氧小的为Mg,物理 (受限于空间的对称性、能量、动量、自旋守恒),铁的费米面 多子 能带
13、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 能带少子能带高于费米能级,将导致下列实验现象,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D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,非晶体隧道结？,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。在非晶体Al2O3结， 在Z方向动量不守恒， 从而衰减严重。,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,计算机硬盘读/写头的工作原理示意图,GMR传感器的物理学原理,TMR和GMR的应用,
