磁性材料原理与应用

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1、磁性材料原理与应用磁电阻/半金属简介及半金属CrO2在隧穿磁电阻中的应用磁电阻/半金属简介及半金属CrO2在隧穿磁电阻中的应用1988年,Baibich[1]发现(Fe/Cr)n多层膜的磁电阻效应比坡莫合金的磁电阻大一个数量级,并将此称为巨磁电阻效应(giantmagnetoresistance,GMR)；1993年和1994[2][3]年在钙钛矿锰氧化物中发现了庞磁电阻效应(colossalmagnetoresistance,CMR)。1975年Julliere在Fe/Ge/Co多层膜中发现隧穿磁电

2、阻效应(tunnelmagnetoresistance,TMR)[4]。特别是1995年Miyazaki[5]等人在铁磁性隧道结材料中发现室温的高隧穿磁电阻效应以后,这种以铁磁层/势垒层/铁磁层三明治结构为核心的磁性隧道结(maonetictunneljunction,MTJ)材料以及其中自旋相关电子的隧穿输运性质,引起了学者们广泛的研究兴趣,极大地促进了磁电子学和自旋电子学的形成与发展。本论文主要对磁电阻，半金属磁体材料，以及结合半金属CrO2的磁性隧道结做简要介绍。一、磁电阻简介自旋电子学是以传统

3、半导体电子学中的电子和空穴为基础，研究载流子自旋取向的一门新兴的电子学。它是当今国际凝聚态物理和材料科学界关注的热点之一，也是小型化、快速化、高存储密度、高灵敏磁性器件的基础。磁电阻效应(MR)是自旋电子器件的基础，它是磁场作用下材料电阻的相对变化，磁电阻公式为其中,R(0),R(H)为零场和外场作用下的材料电阻。磁电阻效应主要分为正常磁电阻效应(OMR)、各向异性磁电阻效应(AMR)、巨磁电阻效应(GMR)、庞磁电阻效应(CMR)、隧道磁电阻效应(TMR)。对于普通金属，电子的自旋是简并的，不存在净

4、的磁矩，而在费米面附近的态密度对于自旋向上和向下是完全一样的，因而输运过程中电子流是自旋非极化的。但在铁磁金属中，由于交换劈裂，费米面处自旋向上的子带（多数自旋）将全部或大部分被电子占据，而自旋向下的子带（少数自旋）仅部分被电子占据，两子带的占据电子数之差正比于它的磁矩。同时费米面处自旋向上和自旋向下3d电子态密度相差很大，所以尽管在费米面处还有少数受交换劈裂影响较小的s电子和p电子，传导电流仍是自旋极化的。由于自旋向上的3d子带（多数自旋）与自旋向下的3d子带（少数自旋）在费米面附近的态密度不相等，

5、它们对不同自旋取向的电子的散射是不一样的，所以自旋向上与自旋向下的电子的平均自由程也不同。理论和实验证明，铁磁金属或合金的输运过程可分解为自旋向上和自旋向下两个几乎相互独立的电子导电通道，相互并联，这就是自旋相关散射的二流体模型。这种铁磁金属导电的理论，是Mott提出的。早在70年代，人们就在铁磁金属/非磁绝缘体/铁磁金属(FM/I/FM)隧道结中发现了与自旋极化电子的输运过程相关的、因外磁场改变隧道结铁磁层的磁化状态而导致其结电阻发生变化的隧道磁电阻效应。并由Julliere给出了描述TMR效应的基

6、本理论模型。根据Julliere给出的描述TMR效应的基本理论模型，只要个铁磁层的自旋极化率不为零，隧道结中就存在磁电阻效应：它们的自旋极化率越大，隧道磁电阻值也就越高。因此，采用高自旋极化率的电极材料是获得大的隧穿磁电阻(TMR)效应的关键之一。而半金属(half-mental)铁磁材料的自旋极化率P理论上可达到100%[6][7]。能带结构计算、自旋极化光发射实验、真空隧穿测量和超导点接触实验测量都显示CrO2在已知的各种体系中具有最高的自旋极化率，接近100%。考虑到其极高的自旋极化率和高达39

7、5K的居里温度，半金属CrO2被认为是最极具开发潜力、理想的自旋电子器件的电极材料。一、半金属简介1.半金属磁体1983年，deGroot[7]等人在对半霍伊斯勒(semi-Heusler)合金NiMnSb和PtMnSb作能带计算时，得到了一种特殊的能带结构，如图1所示。这些磁性金属间化合物与一切普通的铁磁体一样，具有两个不同的自旋子能带。但是，其中一个自旋子能带（一般称为自旋向上或多数自旋子能带）在费米面上有传导电子，而对于另一个子能带（称为自旋向下或少数自旋子能带），费米能级恰好落在价带与导带的能

8、隙中。也就是说，两种自旋子能带分别具有金属性和绝缘性。因此，deGroot把具有这种能带结构的物质称为“半金属”磁体(half-metallicmagnets)。图1CrO2的能带结构图2.半金属的主要特征(1)自旋极化率P=100%半金属这种特殊的能带结构带来了一系列特殊的性质，其中最显著的特征是完全自旋极化，即自旋极化率P=100%因为半金属磁体只有自旋向上子能带在费米面上有传导电子分布，而自旋向下子能带在费米面上无传导电子，因而所有的传导电子都具有