自旋电子学PPT课件.ppt
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自旋电子学及其相关领域前沿科学研究主讲人：许小红1 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））2 l一、一、巨磁电阻效应（巨磁电阻效应（GMRGMR））3 2007 Nobel 物理奖物理奖—巨磁阻效应巨磁阻效应Peter Gruenberg彼得·格林贝格尔 Albert Fert阿尔贝·费尔 4 巨磁电阻（巨磁电阻（巨磁电阻（巨磁电阻（GMRGMR）效应）效应）效应）效应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), 24425 FM层间的振荡耦合层间的振荡耦合――普适现象普适现象 Parkin的贡献的贡献（1990）Co/Ru， 振荡周期 约12埃6 FM层间的振荡耦合层间的振荡耦合――SMOKE丘子强等丘子强等1992Fe/Mo/Fe7 单层膜厚度单层膜厚度 t t 的限制的限制金属：金属：金属：金属：t t（（（（≈≈≈≈2nm2nm2nm2nm ））））《《《《 λλλλ(≈20nm)(≈20nm)(≈20nm)(≈20nm)《《《《 Ls (≈200nm Ls (≈200nm Ls (≈200nm 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λλ（（1010－－3030纳米）纳米） 自旋弛豫长度Ls（100－500纳米）8 MottMott两流体模型两流体模型两流体模型两流体模型 (1)(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 （s－d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）9 两流体模型（两流体模型（两流体模型（两流体模型（2 2））））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 ↑（（ 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10 两流体模型（两流体模型（两流体模型（两流体模型（3 3））））α α测量值：测量值：测量值：测量值：CoCo和和和和NiNi大；大；大；大；FeFe较小；较小；较小；较小；CuCu为零为零为零为零I.A.Cammpbell and A.Fert (1982)I.A.Cammpbell and A.Fert (1982) 11 MottMott两流体模型两流体模型两流体模型两流体模型(4)(4)计入Spin－flip 散射（热自旋波散射），高温电阻率低温电阻率（Spin－flip 散射 ）12 MottMott模型和模型和模型和模型和GMRGMR效应（效应（效应（效应（1 1）））） 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 电子散射强。
13 MottMott模型和模型和模型和模型和GMRGMR效应（效应（效应（效应（2 2）））） 2，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，14 Pseudo spin valve (PSV) M(H) & R(H)Pseudo spin valve (PSV) M(H) & R(H)15 Spin-Valve Spin-Valve (SV)(SV)M(H) magnetizationR(H) magnetoresistance16 Spin valve (SV) – M(H) & R(H)Spin valve (SV) – M(H) & R(H)high magnetoresistance field sensitivity17 上下自旋平行时电子容上下自旋平行时电子容易通过易通过--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18 l二、隧道磁电阻效应（二、隧道磁电阻效应（TMRTMR））19 （二）隧道磁电阻（（二）隧道磁电阻（TMR）的发现与）的发现与新进展新进展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20 TMR与与GMR之比较之比较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！！！ l1997－2005年计算机硬盘的读头使用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21 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22 GMRGMR TMRTMR隧道磁电阻隧道磁电阻23 隧道磁电阻效应隧道磁电阻效应R RapapN NS SN NS SN NS SN NR Rp p ： Resistance in parallel magnetization configurationR Rapap ： Resistance in antiparallel magnetization configurationFree ferromagnetic layerFree ferromagnetic layerBarrierBarrierPinned ferromagnetic layerPinned ferromagnetic layerN NS SN NS SR Rapap- - R Rp pR Rp px100 (%)x100 (%)TMR ratioTMR ratio＝＝＝＝S SResistanceMagnetic fieldR Rp p0隧道磁电阻隧道磁电阻24 FM(Co(001))NM(Cu(001))(Al-O)FM(Ni-Fe)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25 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 barrierAlO, MgOAlO, MgOAlO, MgOReference layerCoFe, CoFeBSpacer layerRuPinned layerCoFeCoFeCoFePinning layerIrMn, PtMnIrMn, PtMnSeed layerNiFe, NiFeCrNiFe, NiFeCrUnder-layerTaTaTaPseudo-Spin valvePseudo-Spin valve(non-coupled)(non-coupled)Spin valveSpin valveSy-antiferromagnetic Sy-antiferromagnetic Spin valveSpin valveMagnetic field, HD DR/Ro隧道磁电阻隧道磁电阻26 最新进展－量子振荡最新进展－量子振荡 TMREFkFkcpFMINMFM+-TMRTMR大于大于大于大于2000 2000 ％％％％ ！！！！！！！！！！！！隧道磁电阻隧道磁电阻27 隧穿现象隧穿现象隧穿现象隧穿现象“M－－I－－M” 振荡波和衰减波振荡波和衰减波 电子的穿透率 用 WBK 方法计算波函数28 计算穿透率计算穿透率计算穿透率计算穿透率 T T T T 自由电子平面波情况自由电子平面波情况自由电子平面波情况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 入射能量入射能量 E接近 V0、 绝缘层绝缘层很窄 (X2-X1)→ 0。
那么，I → 0；T→1 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29 隧穿电流隧穿电流隧穿电流隧穿电流 Simmons Simmons 公式！（公式！（公式！（公式！（19631963）））） 应该计入应该计入 Fermi－－Dirac 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,...） 30 几种隧穿现象的差别几种隧穿现象的差别几种隧穿现象的差别几种隧穿现象的差别不同的不同的“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 .........31 隧穿隧穿隧穿隧穿磁电阻磁电阻磁电阻磁电阻 (TMR) (TMR) 效应效应效应效应“FM－I－ FM”结发现 M Julliere（1975）；再发现T Miyazaki （1995）Moodera（1995）32 TMRTMRTMRTMR实验结果实验结果实验结果实验结果韩秀峰等韩秀峰等（（20002000））33 隧道磁电阻效应的物理机制隧道磁电阻隧道磁电阻34 JulliereJulliere公式（公式（公式（公式（1 1））））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 ））35 JulliereJulliere公式（公式（公式（公式（2 2））））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 36 JulliereJulliere公式（公式（公式（公式（3 3）））） TMR 比率（放大的）定义分子 ＝分母 ＝ 37 JulliereJulliere公式（公式（公式（公式（4 4）））） TMR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，38 JulliereJulliere公式（公式（公式（公式（5 5）））） “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39 STMSTM 将将“M－－I－－M”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“FM－－I－－FM”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STM40 结晶结晶MgOMgO隧道结隧道结 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））41 ParkinParkin等人报道实验值达到等人报道实验值达到200200％％ （（Nature Materials 3, 862(2004) Nature Materials 3, 862(2004) lTaN(10)/IrMn(250)/Co84Fe16(8)/30Co70Fe30(3)/MgO(3.1)/Co84Fe16(15)/TaN(12.5)单位为纳米42 日本日本 Shinji Yuasa Shinji Yuasa 等人报道类似结果等人报道类似结果 （（Nature Materials 3, 868(2004)Nature Materials 3, 868(2004)lMgO绝缘层断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43 Fe(100)/MgO(100)/Fe(100)Fe(100)/MgO(100)/Fe(100)结晶隧道结结晶隧道结44 界面的结构大的原子为Fe黑的原子为氧小的为Mg45 46 物理物理 ( (受限于空间的对称性、受限于空间的对称性、能量、动量、自旋守恒能量、动量、自旋守恒) ) l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47 48 将导致下列实验现象将导致下列实验现象l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>>l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d<
接近动量守恒l在非晶体Al2O3结， 在Z－方向动量不守恒， 从而衰减严重50 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！51 TMR和GMR的应用计算机硬盘读计算机硬盘读计算机硬盘读计算机硬盘读/ /写头写头写头写头的工作原理示意图的工作原理示意图的工作原理示意图的工作原理示意图52 GMR传感器的物理学原理TMR和GMR的应用53 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, 128KBitTMR和GMR的应用54 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55 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 ，， 关联电子学关联电子学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56 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57 l三、稀磁半导体（三、稀磁半导体（DMSDMS））58 稀磁半导体（稀磁半导体（DMSDMS）的发现与）的发现与新进展新进展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59 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））60 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-e-e-电电( (荷荷) )流流有热效应、功耗spinspinspinspin自旋流自旋流无热效应、功耗何为自旋电子学？61 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….62 Polarization upPolarization downNo informationInformation = 1Information = 0Spin direction randomPolarization =0自旋量子计算机63 Spin-LED64 有了有了GMR，还需要，还需要DMS吗？吗？DMSDMS与与与与GMRGMR之比较之比较之比较之比较65 Interest-Why Magnetic Semiconductors?Interest-Why Magnetic Semiconductors? Field of Spintronics: Essential to develop a semiconductor free from cluster & secondary phase Having ferromagnetically polarized carriers at Troom Spin & Charge of the carriers can be coupled with an external field Control devicesElectronchargeSpintronicsSpinThe ideal material retains the properties of the “host” semiconductor & adds FM at Troom66 DMSDMSOZnTMWhat is the structure of DMS?67 其实在1990s人们关注的InAs，GaAs等Ⅲ－Ⅵ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68 So far, several models have been proposed to explain the mechanism of magnetic origin in DMS.Competing Magnetic Mechanisms69 (1) Thermally activated hopping seen at high temperatures and in relatively pure samples:(2) Varible range hopping seen at low temperature in impure samples α =1/4 or 1/2 (3) Metallic (need mean free path greater than lattice spacing)Three possible types of conductivity70 Antiferro Isolated ionIsolated polaronpairOverlappingpolaronsHigh resistance regimeThe donors defects tend to form bound magnetic polarons, coupling the 3d moments of the ions within their orbits.Provided the 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.71 (Zn(ZnCoCo)O)OElectronsHolesImpurity bandn(E)EAgain,TM supplies the magnetic moments and the carriersDonor leveln-Type Ferromagnetism72 作业l论述GMR和TMR的应用以及对信息存储产业带来的影响。
73 谢 谢！Thank you for your attentionThank you for your attention 74 。
