GMRTMR原理新

GMR/TMRHead原理磁电阻MagnetResistance效应MR＝Δ/电阻在一定磁场作用下急剧减小，而Δ/急剧增大的特性，一般增大的幅度比通常的磁性与合金材料的磁电阻约高10倍。可分为具有层间偶合特性的多层膜（例如Fe/Cr）、自旋阀多层膜（例如FeMn/FeNi/Cu/FeNi）、颗粒型多层膜（例如Fe-Co）和钙钛矿氧化物型多层膜（例如AMnO3）等结构。为零场电阻率，Δ为加场后电阻率的变化巨磁电阻GiantMagnetResistance（GMR）效应：这种巨大的磁电阻效应来源于由隧穿势垒分隔开来的两个铁磁颗粒间的电子的自旋相关隧穿(spin-dependenttunneling)效应.电阻与之成正比的散射几率决定于隧穿电子的自旋是否平行于(或倾斜于)单畴磁性颗粒的磁矩取向.如果所有铁磁颗粒的磁矩向上平行排列,具有向上自旋的电子(多数majority)只会受到轻微的散射,而自旋向下的电子(少数minority)将会受到强烈的散射.所以,当外磁场将所有铁磁颗粒的磁矩一致排列时,电阻最小,出现负的磁电阻效应。隧穿磁电阻TunnelingMagnetResistance效应：(TMR)两者皆为三层构造，有两层磁性层，而在这两层磁性层间则存在着一层厚度为纳米级的非磁性中间层(spacer)，其中GMR的非磁性层是由铜等金属所构成，而TMR部分则采用Al2O3等绝缘体。前者界面处的传导电子会呈现漫游现象，由于传输电子之极化特性，一般说来，当上下两层磁性层的磁化现象互为平行时的电阻会较反平行时来得小。而后者因为会引起自旋级化电子的穿隧率改变，因此类似地，当上下两层磁性层的磁化现象互为平行时的电阻会较反平行时来得小。GMR与TMR的基本结构图GMRTMR磁头设计原理图PhysicalMechanismofGMREffectPhysicalMechanismofTMREffectGMRHeadDesignGMRHeadDesignGMRHeadDesign一般是SPH设计，利用隧道磁电阻在读取磁信息脉冲的敏感性所设计的，跟传统的GMR以及AMR相比，有更高的磁敏感度。特别在最近的研发热点PMR存储材料方面，TMR更充分展现了它的高敏感优势。TMRHeadDesignSPHDesignTunnelingMagnetoresistiveHeadDesign巨磁电阻（GMR）效应重点：Mott的两流体模型Mott两流体模型Mott两流体模型•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）Mott两流体模型•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•S↓电子被d↑（majority）电子散射，对电导贡献小•结果：•电导的自旋相关因子1Mott模型和GMR效应Mott模型和GMR效应•按Mott模型（看上图）•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。RRRRMott模型和GMR效应•如果，平均自由程（单层厚度）•磁电阻比率•其中，RRA/111RRR111RRRt1RR)1(2111111RRRRRRA1A隧道磁电阻（TMR）效应1隧穿现象和隧道磁电阻（TMR）效应2Julliere公式隧穿现象“M－I—M”振荡波和衰减波电子的穿透率用WBK方法计算波函数22iittintranVVJJT计算穿透率T自由电子情况•结果：•简化：位垒与坐标无关，•（1）强入射、弱势垒，入射能量E接近V0、绝缘层很窄(X2-X1)→0。那么，I→0；T→1。电子穿透。•（2）弱入射、强势垒那么，I→很大；T→很小。电子受阻。IdxEVmhTxx2exp22exp2112022expXXEVmhT隧穿电流（Simmons公式）•计入Fermi－Dirac统计•(1)→(2)电子•(2)→(1)电子•隧穿电流•近似结果：隧穿电流≈指数衰减部分×状态函数部分其中，指数部分＝F（势垒宽、高度，...）状态部分＝F（两个电极的性质,...）EfrxrxrdEEEfdEmVThmN000232124EfrxrxrdEeVEEfdEmVThmN00023222421NNeJ隧穿磁电阻(TMR)效应TMR实验结果TMR机理Julliere公式•隧穿电流（近似!）I∝指数衰减部分×状态密度部分•上左图FM电极的磁矩彼此“平行”•（注意：数值大小是）•上右图FM电极的磁矩彼此“反平行”•（注意：数值大小是）2121exp0DDDDUAIddDD2121exp0DDDDUAIDddD•隧穿电流的大小•问题：？这就是TMR效应•如果•就有•当然IIdDdDdDddDD202dDddDD02dDJulliere公式Julliere公式•TMR比率•分子＝•分母＝IIITMR2211DDDD2121DDDDJulliere公式•TMR的公式（用自旋极化率表示）•第一个电极•第二个电极•简单代数运算，得到Julliere的公式11111DDDDp22222DDDDp212112PPPPTMRJulliere公式•“保守的”Julliere的公式•例子，如果，以Fe和Co作为电极，•那么TMR比率＝0。26IIITMR212112PPPPTMR34.0,44.021CoPFep谢谢观赏