巨磁电阻和自旋电子学-北京大学物理学院课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,巨磁电阻和自旋电子学,詹文山,中国科学院物理研究所 磁学国家,重点实验室,2007.12.,2007,年诺贝尔物理学奖,Peter,Grnberg,-,克鲁伯格,1939,年,5,月,18,日出生。从,1959,年到,1963,年，克鲁伯格在法兰克福约翰,-,沃尔夫冈,-,歌德大学学习物理，,1962,年获得中级文凭，,1969,年在德国达姆施塔特技术大学获得博士学位。,1988,年，他在尤利西研究中心研究并发现巨磁电阻效应；,1992,年被任命为科隆大学兼任教授；,2004,年在研究中心工作,32,年后退休，但仍在继续工作。他,1994,年获美国物理学会颁发的新材料国际奖,(,Fert,、,Parkin,共同获得,),；,1998,年获由德国总统颁发的德国未来奖；,2007,年获沃尔夫基金奖物理奖,(,与,Fert,共同获得,),。,Albert,Fert,-,费尔,1938,年,3,月,7,日出。,1962,年在巴黎高等师范学院获数学和物理硕士学位。,1970,年从巴黎第十一大学获物理学博士学位，前在该校任物理学教授。他从,1970,年到,1995,年一直在巴黎第十一大学固体物理实验室工作。后任研究小组组长。,1988,年，他发现巨磁电阻效应，随后对自旋电子学作出过许多杰出贡献。,1994,年获美国物理学会颁发的新材料国际奖，,1995,年至今则担任国家科学研究中心,-Thales,集团联合物理小组科学主管,1997,年获欧洲物理协会颁发的欧洲物理学大奖，以及,2003,年获法国国家科学研究中心金奖。,一、序言,二、巨磁电阻,GMR,三、隧道磁电阻,TMR,五,、物理所,MRAM,研究进展,四,、硬盘存储器,-,垂直磁存储技术,自旋,自旋,一、序言,电子,电荷,自旋,在半导体材料中有,电子,和,空穴,两种载流子,极化电子有,自旋向上,和,向下,的两种载流子,电子,M,低温下,电子弹性散射的平均时间间隔,10,-13,秒，,平均自由程,10nm,。,非弹性散射的平均时间间隔,10,-11,秒，,相位干涉长度,1,m,。,极化电子自旋保持原有极化方向,的平均间隔时间,10,-9,秒，,自旋扩散长度,100,m,。,室温下,自旋扩散长度,钴 铁,FeNi,金银铜铝,自旋向上,5.5nm 1.5nm 4.6nm,自旋向下,0.6nm 2.1nm 0.6nm 1-10,m,电子的自旋通常只有在磁性原子附近通过交换作用或者通过自旋,-,轨道耦合与杂质原子或者缺陷发生相互作用被退极化。,A.,电子的输运性质,自旋极化电子的特性,l,sd,B.,电子自旋极化度,当电子通过铁磁金属时，电子由简并态，变成向上,(+1/2),和向下,(-1/2),的非简并态，极化度表示为,自旋极化度,实验结果：,材料,Ni Co Fe Ni,80,Fe,20,Co,50,Fe,50,Co,84,Fe,16,自旋极化度,(,)33 45 44 48 51 49,N,和,N,分别表示,在费密面自旋向上和向下的电子数。,3d,4s,P,=45%,P,=100%,自旋极化电子的特性,铁磁体,磁化方向,典型的两种效应：,巨磁电阻,GMR,和,隧道磁电阻,TMR,非磁金属,Cu-,GMR,绝缘体,Al,2,O,3,-,TMR,量子隧道效应示意图,铁磁体,铁磁体,中间层,绝缘层势垒,R,p,=,平行耦合时的电阻,R,ap,=,反平行耦合时的电阻,1986,在,Fe/Cr/Fe,纳米磁性多层膜发现,反铁磁层间耦合效应,二、,巨磁电阻,GMR,是自旋电子学产生的基石,1986,年,P.Gr,nberg,Fe/,Cr,/Fe,三明治结构中,Cr,适当厚度产生,反铁磁耦合,Unguris.et,al.Phys.Rev.Lett.67(1991)140,Fe,Fe,Cr1nm,反铁磁耦合与振荡效应的实验证明,Fe,Fe,Cr,彼得,格林贝格尔,饱和磁场,随,Cr,层厚度变化,的振荡关系,铁磁耦合,反铁磁耦合,1988,年,Baibich,A.Fert,等,发现,(Fe/Cr),多层膜的巨磁电阻效应,金属多层膜的巨磁电阻,反铁磁耦合,(H=0),Phys.Rev.Lett.61(1988)2472,Fe/Cr,Co/Cu,阿尔贝,费尔,A.Fert,G.Binasch,P.Grnberg,et al.,PRB 39(1989)4828.,(Fe/Cr)n,的,R/R,0,磁电阻随,周期数,n,的增加而增大,Parkin.et,al.Phys.Rev.Lett.64(1990)2304,R/R(,),随,Cr,厚度变化,的振荡关系,饱和磁场,随,Cr,层厚度变化,的振荡关系,1990,年,Parkin,et al,多层膜的,交换耦合振荡效应,和,巨磁电阻效应,10,20,30,40,5,10,15,Cr thickness(),Saturation Field(,kOe,),饱和磁场,随,Cr,层厚度变化,的振荡关系,磁控溅射法,(Co/Cu,多层膜,),磁化强度平行，,R,P,电阻小,磁化强度反平行，,R,AP,电阻大,R,P,R,P,R,P,R,P,R,AP,R,AP,R,AP,R,AP,二流体模型,自旋电子极化方向平行磁化强度方向,-,平均自由程,长,自旋电子极化方向反平行磁化强度方向,-,平均自由程,短,巨磁电阻,GMR,Cu,Co,GMR,自旋阀,SV,1990,年,Shinjo,两种不同矫顽力铁磁层的自旋阀结构,1991,年,Dieny,用反铁磁层钉扎一层铁磁层的自旋阀结构,J.Appl.Phys.69(1991)4774,Si/150,NiFe/26,Cu/150,NiFe/150,FeMn/20,Ag,MR=7%,反铁磁层,钉扎铁磁层,自由铁磁层,S i,FeNi,15 nm,FeNi,15 nm,Cu 2.6 nm,FeMn,15 nm,Ag 2 nm,MR=2.2%,GMR,的部分应用,反铁磁层,铁磁层,1,铁磁层,2,非磁性层,硬盘读出磁头,GMR,隔离器,传感器,GMR-type MRAM,(Honeywell,公司曾制作出,1Mb,的,MRAM,估计军方是唯一用户,),2004,年,170Gbit/in,2,预计不久到,1000,Gbit/in,2,最终可能到,50 Tbit/in,2,(100nm,65Gbit/in,2,),2000,100,硬磁盘读出头的发展,TMR,磁头,-300 Gbit/in,2,(2006),Compassing,Global Position Systems,Vehicle Detection,Navigation,Rotational Displacement,Position Sensing,Current Sensing,Communication Products,通信产品,The World of Magnetic Sensors,罗盘,全球定位,车辆检测,导航,位置传感器,电流传感器,转动,位移,三、隧道磁电阻,TMR,1975,年,Julliere,在,Fe/,Ge,/Co,中发现两铁磁层中磁化平行和反 平行,的电导变化在,4.2K,为,14,。,Phys.Lett.54A(1975)225,1982,年,Maekawa,等 在,Ni/,NiO,/Ni,，,(Fe,、,Co),等发现磁隧道电阻效应,IEEE Trans.Magn.18(1982)707,钉扎铁磁层,非磁绝缘层,可变铁磁层,电流方向,电流方向,自旋极化电流,磁化强度方向,自旋极化度,N,和,N,分别表示在费密面自旋向上和向下的电子数。,电阻,R,P,小,电阻,R,AP,大,隧道磁电阻,TMR,量子隧道效应示意图,(Fe/Al,2,O,3,/Fe),1995,年,Miyazaki,在,Fe/Al,2,O,3,/Fe,三明治结构，,在室温下有,15.6,的磁隧道电导变化，磁场灵敏度为,8,/,Oe,。,Al,2,O,3,Fe,Fe,Al,2,O,3,Fe,Fe,J.Magn.Magn.Mater.139(1995)L231-151(1995)403,Fe/Al,2,O,3,/Fe,电阻隧磁场变化,Fe/Al,2,O,3,/Fe,磁滞回线,(,一,),氧化铝为绝缘层的磁隧道电阻,自由复合铁磁层,绝缘层,反铁磁层,钉扎铁磁层,隧道结典型示例,(,二,),MgO,单晶势垒的磁隧道效应,w.wulfhekel,Appl,phys,lett,vol,78 509(2001.1),用,MBE,制备单晶磁隧道结,MgO(001),基片,Fe,MgO(001),Fe(001),Fe(001),MgO(001)-5ML/Fe(001),STM,测量隧道效应，黑线对应灰色区域，虚线对应黑点,(,较低的隧道势垒,),。,镀上金,Au,电极层,实验为理论提供条件,Fe(100),MgO,3.9ML,Fe(100),MgO,2ML,Fe 5ML,Fe(100),MgO,5ML,Au,2001.1,实验结果,2001.9,A.Fert,小组用氧化镁做绝缘层，在,30K,得到,TMR60,CoFeB/MgO/CoFeB,磁隧道结的,TMR,Djayaprawira,.et,al.Appl,phys.lett,.86.092502(2005),退火温度,T,A,=360,0,C(2h,，,H=8kOe),採用磁控濺射技术制备,MTJ(1,mx1m),MgO,用射频,rf,濺射制备,CoFeB/MgO,界面清晰、平滑，,MgO,有很好的,(001),纤维晶体织构,Ru,(7),Ta(10),MgO,(1.8),Si,基片,Ta(10),PtMn,(15),Co,70,Fe,30,(2.5),Ru,(0.85),Co,60,Fe,20,B,20,Co,60,Fe,20,B,20,2005.2,实验结果,室温,:,MR=230,20K:MR=294,R,A,=420,m,2,R,A,=440,m,2,2006,年,12,月日本日立公司和东北大学发表,：,TMR472,写入,读出,位线,字线,写线,写线,位线,字线,WWL,RWL,GND,BL,MTJ,CMOS,磁性隧道结的应用,-,MRAM,Motorola MTJ MRAM structure,MRAM,与现行各存储器的比较（,F,为特征尺寸）,技术,DRAM,FLASH,SRAM,MRAM,容量密度,256 GB,256 GB,180 MB/cm,2,256 GB,速度,150 MHz,150 MHz,913 MHz,500 MHz,单元尺寸,25 F,2,/bit,2 F,2,/bit,2 F,2,/bit,联接时间,10 ns,10 ns,1.1 ns,2 ns,写入时间,10 ns,10,s,10 ns,擦除时间,1 ns,10,s,10 ns,保持时间,2.4 s,10 years,无穷,循环使用次数,无穷,10,5,无穷,无穷,工作电压,(V),0.5-0.6 V,5 V,0.6-0.5 V,1 V,开关电压,0.2 V,5 V,50 mV,MRAM,DRAM,FLASH,256Kb MRAM chip,Courtesy of Motorola,非挥发性,高的集成度,高速读取写入能力,重复可读写次数近乎无穷大,功耗小,基于,TMR,构建的磁存储器,(MRAM),具有,MRAM,具有抗辐照能力,（,国防、航天至关重要）,MRAM,内存储器,：,非挥发性；抗辐照；速度快,外存储器,：,比,Flash,存取速度快,1000,倍,;,功耗小；寿命长；密度高,可能取代闪存,Flash,和硬盘,四,、,硬盘存储器,-,垂直磁存储技术,磁头,磁盘,(,表面的多层磁存储材料薄膜也称为磁媒,),基片,(,铝质或钢化玻璃,),硬盘存储器成机,(,驱动器,),IBM RAMAC 1955,2 kbits/in,2,50 x24”,dia,disk