自旋電子學(xué)與自旋電子器件簡(jiǎn)述

1、自旋電子學(xué)與自旋電子器件簡(jiǎn)述自旋電子學(xué)與自旋電子器件簡(jiǎn)述陳閩江，邱彩玉，孫連峰（國(guó)家納米科學(xué)中心器件研究室北京100190）一、引言一、引言2007年10月，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將該年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予在1988年分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)納米多層膜中巨磁電阻效應(yīng)的法國(guó)AlbertFert教授和德國(guó)PeterGrunberg教授。其隨后的應(yīng)用不啻為革命性的，因?yàn)樗沟糜?jì)算機(jī)硬盤的容量從幾十兆、幾百兆，一躍而提高了幾百倍，達(dá)到幾十G乃至上百G。越來越

2、多的人開始了解這個(gè)工作及其對(duì)我們生活的影響，并意識(shí)到這個(gè)工作方向的重要意義。1988年在磁性多層膜中發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)(GiantMagesistance，GMR)，1993年和1994年在鈣鈦礦錳氧化物中發(fā)現(xiàn)龐磁電阻效應(yīng)(ColossalMagesistance，CMR)，特別是1995年在鐵磁性隧道結(jié)材料中發(fā)現(xiàn)了室溫高隧穿磁電阻效應(yīng)(TunnelingMagesistance，TMR)以及后續(xù)形成的稀磁半導(dǎo)體等研究熱潮，這些具有里程碑

3、意義的人工合成磁性材料的成功制備和深入研究，不僅迅速推動(dòng)了近20年凝聚態(tài)物理新興學(xué)科——自旋電子學(xué)(spintronics)的形成與快速發(fā)展，也極大地促進(jìn)了與自旋極化電子輸運(yùn)相關(guān)的磁電阻材料和新型自旋電子學(xué)器件的研制和應(yīng)用。中國(guó)科學(xué)院物理研究所朱濤研究員表示：“AlbertFert和PeterGrunberg種下了一粒種子，隨著20世紀(jì)90年代應(yīng)用的突破，這粒種子長(zhǎng)成了一棵小苗——自旋電子學(xué)，這是一個(gè)成長(zhǎng)很快、前景廣闊的磁學(xué)分支?！倍?、

4、電子自旋與自旋電子學(xué)二、電子自旋與自旋電子學(xué)要闡明自旋電子學(xué)，就不得不先簡(jiǎn)述一下電子自旋這一概念。電子自旋不是電子的機(jī)械自轉(zhuǎn)，電子自旋及磁矩是電子本身的內(nèi)稟屬性，所以也被稱為內(nèi)稟角動(dòng)量和內(nèi)稟磁矩。它們的存在標(biāo)志電子還有一個(gè)新的內(nèi)稟自由度。所以電子狀態(tài)的完全描述不但包括空間三個(gè)自由度的坐標(biāo)（r），還必須考慮其自旋狀態(tài)。更確切地說，要考慮自旋在某給定方向（例如z軸方向）的投影的兩個(gè)可能取值的波幅，即波函數(shù)中還應(yīng)該包含自旋投影這個(gè)變量（習(xí)慣上

5、取為），ZS從而記為。與連續(xù)變量r不同，只能取兩個(gè)離散值。()Zrs?ZS2??接下來，認(rèn)識(shí)電的和磁的相互作用在強(qiáng)度上的差異和不同的特點(diǎn)，可以了解自旋電子學(xué)的潛力。電荷周圍存在電場(chǎng)，通過靜電力和其他電荷發(fā)生相互作用，這種相互作用是強(qiáng)的和長(zhǎng)程的。在常見的半導(dǎo)體中，兩個(gè)相距5的元電A?荷間的相互作用能可達(dá)0.2eV，它正比于距離的倒數(shù)。1V的電壓可使載流子1r改變1eV的能量。然而距離為5的一對(duì)電子自旋之間的磁偶極耦合能卻只有A?變而導(dǎo)致電

6、阻改變的現(xiàn)象。由于磁化方向的導(dǎo)電電阻升高而垂直方向的電阻降低，故稱之為各向異性磁電阻（AnisotropicMagaesistance，AMR）。磁電阻的相對(duì)比值磁致電阻（Magesistance，MR）可表示為：。和分別為有磁場(chǎng)作用下和磁場(chǎng)為零時(shí)的電阻。0()HHMRRRRRR????HR0RMR值隨磁場(chǎng)增大而增大，最后達(dá)到飽和。但鐵磁金屬與合金的飽和磁電阻值很小，只有約1%～5%。1988年，F(xiàn)eCr金屬多層膜在外磁場(chǎng)中電阻變化率高

7、達(dá)50%的巨磁電阻效應(yīng)（GMR）被發(fā)現(xiàn)各國(guó)科學(xué)家開始從理論和實(shí)驗(yàn)上對(duì)多層膜GMR效應(yīng)展開了廣泛而深入的研究。GMR產(chǎn)生機(jī)制取決于非鐵磁層兩邊的鐵磁層中電子的磁化（磁矩）方向，用于隔離鐵磁層的非鐵磁層，只有幾個(gè)納米厚，甚至不到一個(gè)納米。當(dāng)這個(gè)隔離層的厚度是一定的數(shù)值時(shí)，鐵磁層的磁矩自發(fā)地呈現(xiàn)反平行；而加到材料的外磁場(chǎng)足夠大時(shí)，鐵磁材料磁矩的方向變?yōu)橄嗷テ叫?。電子通過與電子平均自由程相當(dāng)厚度的納米鐵磁薄膜時(shí)，自旋磁矩的取向與薄膜磁化方向一致

8、的電子較易通過，自旋磁矩的取向與薄膜磁化方向不一致的電子難以通過。因此，當(dāng)鐵磁層的磁矩相互平行時(shí)，載流子與自旋有關(guān)的散射最小，材料有最小的電阻。當(dāng)鐵磁層的磁矩為反平行時(shí)，與自旋有關(guān)的散射最強(qiáng)，材料的電阻最大，從而使磁電阻發(fā)生很大變化。自旋閥（自旋閥（SpinvalveSpinvalve，SVSV）對(duì)于反鐵磁耦合的多層膜，需要很高的外磁場(chǎng)才能觀察到GMR效應(yīng)，故并不適用于器件應(yīng)用。在GMR效應(yīng)基礎(chǔ)上人們?cè)O(shè)計(jì)出了自旋閥，使相鄰鐵磁層的磁矩不

9、存在（或只存在很小的）交換耦合。自旋閥的核心結(jié)構(gòu)是兩邊為鐵磁層，中間為較厚的非鐵磁層構(gòu)成的GMR多層膜。其中，一邊的鐵磁層矯頑力大，磁矩固定不變，稱為被釘扎層；而另外一層鐵磁層的磁矩對(duì)小的外加磁場(chǎng)即可響應(yīng)，為自由層。由于被釘扎層的磁矩與自由層的磁矩之間的夾角發(fā)生變化導(dǎo)致GMR的電阻值改變。如此，在較低的外磁場(chǎng)下相鄰鐵磁層磁矩能夠在平行與反平行排列之間變換，從而引起磁電阻的變化。自旋閥結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)使得巨磁電阻效應(yīng)的應(yīng)用很快變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。最常用的