《自旋电子学》PPT课件

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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）2007Nobel物理奖—巨磁阻效应PeterGruenberg彼得·格林贝格尔AlbertFert阿尔贝·费尔巨磁电阻（GMR）效应Fert（1988）Fe/Cr超晶格PhysRev.Lett.61(1988),2472Grunberg（1986）相邻磁矩反铁磁排列PhysRev.Lett.57(1986),2442FM层间的振荡耦合――普适现象Parkin的贡献（1990）Co/Ru，

2、振荡周期约12埃FM层间的振荡耦合――SMOKE丘子强等1992Fe/Mo/Fe单层膜厚度t的限制金属：t（≈2nm）《λ(≈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λ（10－30纳米）自旋弛豫长度Ls（100－500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。（s－d散射）约定：与磁矩同方

3、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↑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）α测量值：Co和Ni大；Fe较小；Cu为零I.A.CammpbellandA.Fert(1982)Mott两流体模型(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）M

4、ott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，Pseudospinvalve(PSV)M(H)&R(H)Spin-Valve(SV)M(H)magnetizationR(H)magnetoresistanceSpinvalve(SV)–M(H)&R(H)highmagnetoresistancefieldsensi

5、tivity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）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4.2k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

6、之比较隧穿磁电阻（TMR）同金属多层膜以及自旋阀(spinvalve)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。TMR和GMR都可以在室温使用！！！1997－2005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ConductorTunnelingbarrierGMR自旋阀TMR磁性隧道结BufferBufferAntiferromagnetAntiferromagnet输运核心磁钉扎体系

7、Spin-valve-typestructures隧道磁电阻GMRTMR隧道磁电阻隧道磁电阻效应RapNSNSNSNRp：ResistanceinparallelmagnetizationconfigurationRap：ResistanceinantiparallelmagnetizationconfigurationFreeferromagneticlayerBarrierPinnedferromagneticlayerNSNSRap-RpRpx100(%)TMRratio＝SResistanceMagneticfieldRp0隧道磁

8、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—高电阻态伪自旋阀自旋阀