磁性物质中的电荷自旋输运10学时.ppt

磁性物质中的电荷－自旋输运磁性物质中的电荷－自旋输运 （（10学时）学时） 各种磁电阻效应各种磁电阻效应*巨磁电阻（GMR）效应――Mott两流体模型*隧道磁电阻（TMR）效应――Julliere 公式*自旋电子学――Schmidt障碍* CMR效应――Zener双交换模型极极地地光光磁场中的电子（磁场中的电子（Lorentz力）力）极地光 托克马克磁控溅射电子显微镜电子的自旋正常磁电阻正常磁电阻铁磁金属能带铁磁金属能带镍的电子镍的电子状态密度状态密度 DOSdiligent electronslazy electrons能带的交换劈裂导致能带的交换劈裂导致物性的自旋极化物性的自旋极化 电子的两个自旋子带，状态密度（DOS）不等1，自发磁矩 来源于 整体（lazy electrons）） 2，电流极化 来源于Fermi面附近（ diligent electrons）Mott 二流体模型二流体模型 （（1936）） T<

近似地，总电阻总电阻是独立的独立的两个自旋电子流的电阻值ρ＝（ρ↑× ρ↓）/（ρ↑＋ ρ↓）铁磁金属的Fermi面附近，s－与 d－电子共存散射几率 “自旋极化” 各向异性磁电阻（各向异性磁电阻（AMR））正、负磁电阻效应正、负磁电阻效应发现：发现：W Thomson, Proc.Roy.Soc.8, p546(1857)物理：物理：自旋－轨道作用自旋－轨道作用降低了波函数的对称性 →磁晶各向异性1940）） →铁磁体的各向异性磁电阻解释（AMR）(1951) →自旋Hall效应（SHE）(1999)层间层间AFM耦合（耦合（1986））GMR效应1988， A.Fert等，Gruenberg等TMR 的再发现的再发现1995年 Miyazaki (JMMM)必要条件必要条件 两个特征长度： 长程交换耦合 λ≦2纳米 （Cr 18nm； Cu 12nm） 平均自由程 L ≈10纳米 多层膜中单层厚度t： 接近λ，但是要远小于 L 特征长度和表征方法特征长度和表征方法• 1A 1nm 10nm 100nm •Direct exchange length …………━•RKKY exchange length……………▄▄▄•Magnetic dipolar length…………………..……….━━━━•Mean free path ……..……….……..………...▄▄▄ •Spin diffusion length………………………………...▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄• •XRD………..………………….. ━━━━━━━━━•TEM………….……………….....━━━━━━━━━━━━•SEM……………………………………━━━━━━━━━•SPM…………..………………....━━━━━━━━━━━━GMR和和TMR的应用的应用 成绩：HDR 的 读出磁头 MRAM原理：磁场控制电阻磁场控制电阻――磁敏电阻，被动器件！需要：主动器件？控制电流。

需要：主动器件？控制电流 全金属GMR晶体管太困难， 功率放大？？ 迁移率低+结区宽GMR和和TMR的应用（续）的应用（续）1，Bipolar Spin transistor 无功率增益2，Spin field-effect transistor 金属电极＋半导体通道金属 存在spin injection 问题3，Spin valve transistorPt/Co/Cu/Co 集电极电流太低，信噪比低4，Spin single-electron tunneling devices 自旋堆积产生的非平衡态问题自旋电子学的提出自旋电子学的提出 （1）物理物理和主动（active）器件器件（2）要求和进展 自旋弛豫长度很长 提高自旋注入效率 磁性半导体 作为“自旋源” 光学、电学方法进展庞磁电阻（庞磁电阻（CMR）） （1）CMR的再发现的再发现 薄膜技术薄膜技术 Jonker and van Santen (1950) Jin，Tiefel et al (1994)庞磁电阻（庞磁电阻（CMR）） （续）（2）为甚麽有兴趣？为甚麽有兴趣？ Mott绝缘体绝缘体 高温超导、CMR、重费米子、巡游电子、量子Hall效应强关联电子体系强关联电子体系 超越“传统的能带理论”。

几种几种MR效应物理理解上的进展效应物理理解上的进展 表现相似、 本质迥异AMR,GMR,TMR 能带理论能带理论基础上的“散射过程”CMR 非能带理论非能带理论的“强关联跃迁过程” CMR La0.7Ca0.3MnO3/STO薄膜 在稍低于Tc时的 扫描隧道谱（看下一张图）随磁场增加随磁场增加 共存的绝缘相与金属相团簇共存的绝缘相与金属相团簇 此消彼长此消彼长Science 285, (1999)1540各种各种“电子学电子学” 1，电荷电子学电荷电子学 电压（改变）电荷状态，（控制）电流2，磁电子学磁电子学 磁场（改变）磁矩状态电子（控制）电阻3，自旋电子学自旋电子学 电场或光（改变）电荷自旋状态（控 制）电流4，轨道电子学轨道电子学 电场或光（改变）轨道状态（控制）电流轨道电子学？轨道电子学？ 激光电场改变轨道状态，然后回复激光电场改变轨道状态，然后回复。

（看下一张图）（看下一张图） 时间分辨的偏振光显微镜的有序态的像脉冲激光（E＝ 1.5eV）照射La0.5Sr1.5MnO4 平面经过 1 ms 后，轨道状态恢复原状激光电场改变轨道状态激光电场改变轨道状态 结束。