搜索
磁电阻效应与自旋电子学本论文整理by：吴.建.得Mob&QQ138-1652-3001第.七.一.〇.研.究.所1前言物质磁性和磁场会影响物质的力、声、热、电、光等性质，而物质的这些性质也会影响到磁性，我们将这些统称为磁效应，而物质的磁电阻特性就是其中之一。对于物质磁电阻特性的研究由来已久，早在20世纪40年代人们就发现了磁电阻效应。所谓磁电阻（亦称磁致电阻，以下称磁电阻）效应是指磁性材料在磁场作用下，其电阻发生变化的效应,通常用电阻变化率Δr/r来描述。经研究发现，一般金属导体的Δr/r很小，只有约101前言物质磁性和磁场会影响物质的力、声、热、电、光等性质，而物质的这些性质也会影响到磁性，我们将这些统称为磁效应，而物质的磁电阻特性就是其中之一。对于物质磁电阻特性的研究由来已久，早在20世纪40年代人们就发现了磁电阻效应。所谓磁电阻（亦称磁致电阻，以下称磁电阻）效应是指磁性材料在磁场作用下，其电阻发生变化的效应,通常用电阻变化率Δr/r来描述。经研究发现，一般金属导体的Δr/r很小，只有约10-5%；对于磁性金属或合金材料（例如坡莫合金），Δr/r可达（3~5）%，但只在当代，其研究范围和应用才有了新的巨大发展。从正常磁电阻（OMR）、顺行磁电阻（PMR）、异性磁电阻（AMR）到巨磁电阻（GMR）、超巨磁电阻又称庞磁电阻（CMR）、隧道结（穿隧）磁电阻（TMR）以及新近发现的特异磁电阻（EMR）效应的研发与应用，推动着电子信息特别是计算机存储技术的迅速发展。2磁电阻效应的应用特性磁电阻效应可以使物质的电阻在不同磁场中产生相应变化，从而导致输出电流的明显差异。利用电子不同自旋状态所产生的磁场性质的差异，可以通过电流大小的变化表达出来，而电脑则可以把不同的电流强度将其识别为“0”和“1”的数值状态。在过去十多年中，已经发现了三种技术上可行的磁电阻效应：即“巨磁电阻”（GiantMagneto-Resistive，GMR）、“超巨磁电阻”（ColossalMagneto-Resistance，CMR）和“穿隧磁电阻”（TunnelingMagneto-Resistive，TMR）效应。它们都具有三层结构：上下两层为引发电子自旋、产生磁场作用的磁性层；中间为产生电阻变化的非磁性层。然而产生不同类型的磁电阻的非磁性层所使用的材料是不同的：GMR使用的是金属铜，CMR使用的是稀土锰氧化物，TMR则是使用氧化铝。图1就是GMR与TMR的结构示意图。图1GMR与TMR的结示意构图产生巨磁电阻效应（GMR）的磁性多层膜最简单的结构为铁磁性膜（几个奈米厚）/非磁性金属膜（约1或2个奈米厚）/铁磁性膜（几个奈米厚），称作三明治结构；产生隧穿磁电阻效应（TMR）的磁隧道结最简单的结构是铁磁性膜（几个奈米厚）/绝缘膜（约1个奈米厚）/铁磁性膜（几个奈米厚）。不久前《科学美国人》发表了著名实验物理学家塞林（StuartA.Solin）的一篇报告，宣布他的研究小组发现了一种新型磁电阻效应，并将它命名为“ExtraordinaryMagneto-Resistance，EMR），可译作“特异磁电阻”，为在未来几年内再次推动计算机存储技术的革命提供了可能。在以上这些磁电阻效应中目前最具实用价值与潜力的是GMR、TMR效应，而CMR、EMR效应也显示了巨大的潜在应用与市场。2.1GMR、CMR、TMR与EMR效应1）巨磁电阻效应（GMR效应）1986年德国的Grunberg和C.F.Majkrgak等人发现了Y/Gd、Y/Dy和Fe/Cr/Fe多层膜中的层间耦合现象。1988年法国的M.N.Baibich等人首次在纳米级的Fe/Cr多层膜中发现其Δr/r在4.2K低温下可达50%以上，相对于传统的磁电阻效应大一个数量级以上，为此提出了巨磁电阻（GiantMagnetoresistanc，GMR）的概念，在学术界引起了极大反响。由此与之相关的研究工作相继展开，陆续研制出Fe/Cu、Fe/Ag、Fe/Al、Fe/Au、Co/Cu、Co/Ag、Co/Au……等具有显著GMR效应的层间耦合多层膜。此后也陆续发现多种多层膜材料，按其结构可分为具有层间耦合特性的多层膜（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；其中自旋阀（spinvalve）多层膜又分为简单型和对称型或分为钉扎（pinning）和非钉扎型两类结构。图2是GMR的原理示意图。这种低和高电阻态可对应于0和1两种信息记录状态。由于GMR效应极具理论和应用价值，在1994年第二届IUPAP（Internationalunionofpureandappliedphysics）学术会议上，把磁学大奖和当年的美国物理学会新材料国际大奖均授予了多层膜巨磁电阻效应研究者。2）氧化物的特大磁电阻效应（CMR）出现巨磁电阻效应的唯一必要条件就是近邻磁层中的磁矩相对外磁场取向可以发生变化。多层膜中相邻磁层的尺度为纳米级，如果磁层的相邻尺度更小，材料又会有怎样的物理特性呢？1994年以来，在类钙态矿结构Mn系氧化物Ln1-xMxMnO3（其中三价离子Ln3+包括，La3+，Pr3+，Na3+，及Sn3+；二价离子M2+包括碱土离子Ca2+，Sr2+和Ba2+及Pb2+）中发现无论是外延的薄膜还是单晶或多晶块状材料均有比GMR更大的磁电阻效应，特称为超巨磁电阻效应（CMR）。图3、图4、图5是CMR效应的再发现历程。钙钛矿结构氧化物是一大类材料，但目前，氧化物巨磁电阻效应仍仅限于低温区，如何在室温段获得大的磁电阻变化将是理论和实验研究的重要课题。作为应用，总的来说氧化物特大磁电阻（TMR）材料离实际的应用仍有很大的距离。3）隧道结磁电阻效应（TMR）在GMR效应全球研究浪潮推动下，1994年在“磁性金属/非磁绝缘体/磁性金属”（FM/I/FM）型隧道结Fe/Al2O3/Fe中获得了突破性进展。在4.2K低温下，磁电阻变化率高达30%，室温下达18%。在这种结构中如果两铁磁层的磁化方向平行，一个铁磁层中多数自旋子带的电子将进入另一个电极中的多数自旋子带的空态，同时少数自旋子带的电子也从一电极进入另一电极的少数自旋子带的空态；如果两电极的磁化方向反平行，则一个电极中的多数自旋子带与另一个电极的少数自旋子带电子的自旋平行，这样，隧道电导过程中一个电极中多数自旋子带的电子必须在另一个电极中寻找少数自旋子带的空态，因而其隧道电导必须与两极的磁化方向平行时的电导有所差别，将隧道电导与铁磁电极的磁化方向相关的现象称为磁隧道阀效应（magneticvalveeffect）。在磁隧道阀中，磁场克服的铁磁层的矫顽力就可使它们的磁化方向转至磁场方向而趋于一致，这时TMR为极小值；若将磁场减小至负，矫顽力小的铁磁层的磁化方向首先反转，两铁磁层的磁化方向相反，隧道电阻则呈现极大值。由于只需反转一个单纯的铁磁层，因而只用一个非常小的外场便可实现TMR极大值，所以其磁场灵敏度极高。Fe/Al2O3/Fe和CoFe/Al2O3的磁场灵敏度分别为8%/Oe和5%/Oe。另外，在磁隧道结中可以通过改变氧化层的厚度来改变零场下的电阻值，而磁隧道结电阻值并不因此而改变，这些在金属多层膜中是很难实现的。这样根据不同的器件的驱动电压不同可以设计出不同的磁隧道结，图6示出了TMR效应与结构特性。4）EMR效应早在1995年，塞林领导的小组开始从事一项半导体物理学的研究。他们意外地发现，当磁场强度提高时，这个超晶格的电阻会急剧上升。这类现象通常发生在磁性物质中，而他们研究的超晶格完全由非磁性物质构成。经过几年的努力，他们确定了这一新的磁电阻效应的性质，并发展出如何以非磁性物质的简单结构获得磁电阻效应的理论。由于他们的设计在室温下获得的磁电阻效应可以高达目前已知设计的几千倍，所以命名为“特异”（Extraordinary）磁电阻效应。2.2磁电阻效应的应用和市场GMR和TMR新材料及其磁敏感器件可应用于磁读取头和磁随机存储器（MRAM）等领域，能把磁记录密度提高到100Git/in2水平，将给具有高速度、高密度、高稳定性和低成本需求的电脑和信息技术（IT）等产业带来前所未有的升级换代和巨大市场以及深远影响，是许多奈米材料和技术中能迅速转化为产业的范例。例如，电脑硬盘在GMR读出头的推动下，其记录密度可从60Mbits/in2发展到100Gbits/in2，提高了近1500倍；而每Mbits的费用从10美元下降到0.08美元。因此，目前和今后几年，随着磁性半导体电子学、磁光电子、半导体电子学等技术的发展，性能成倍增加但价格逐年降低和体积相对减少的电脑、笔记本电脑等，将越来越多地在工作和生活娱乐中被人们所采用。大众化价格的小型或迷你型的数字照相机、数码摄像机、数字录放音响等产品，将会使人们的生活更加色彩化。高密度和大容量的信息存储器和处理器，不仅使人们享受更好的通讯服务，也将使家电产品更智能化。一本字典大小的硬盘，能存储一个大学图书馆的所有图书信息量，像人类登月一样又是一个指日可待的科学成就。通过网路下载和建立基于电脑的具有储量规模的家庭影院和个人图书馆，对普通大众来讲，将会是未来十年一种新的追求和生活时尚。因此，像集邮一样，通过电子版的图书、绘画、音乐、电影、歌舞剧等分门别类的付费或免费收集、交流、欣赏和利用电脑即时即兴的个人创作，建立具有个人风格和收藏特色的个人图书馆，将大大方便和丰富人们的文化生活。这种个人图书馆在某些专题收藏方面，将走在国家图书馆的前面，成为个人物质和文化财富的一部分。目前美国、日本、欧盟等国家的研究单位及其一流的许多大公司，都纷纷开展了GMR和TMR新材料及其磁读取头和磁随机存储器等自旋电子学器件的研制，争先恐后地开拓新产品及其市场，意在保持高新技术及经济收入的领先地位。国内许多单位，也正在开展自旋电子学功能材料的研究。目前自旋电子学中的GMR、TMR应用前景表明，它将是本世纪“信息和奈米时代”高科技领域里一个可能出现重大突破的新方向，急需国内科研、高校和企业界联手做出有创新性的民用和高科技产品，以满足国民经济发展和提高国民生活水平的需要。而EMR的发现具有激动人心的广泛的技术应用前景，在所有需要精密磁场传感器的技术领域，包括超高密度的数据读写、自动控制系统、医疗设备以及家用电器等。就电脑存储技术而言，EMR与目前被广泛应用于硬盘读写磁头的GMR相比具有明显的优势。由于GMR的中间层使用的是金属铜，容易在两层交界处产生电子漫游现象，对磁场造成干扰，这对于高速内存系统的运行会构成功能上的障碍。而EMR不仅在运行速度上可以比GMR高得多，而且由于它的读写头不包含磁性物质，噪音干扰也会比GMR低得多，从而能够获得更完善的运行功能。上面所述的各类新型磁阻效应必须用磁学和电子学相结合的理论才能解释，并利用自旋所需的能量和功耗小得多的优势制造出了性能优异的电子元器件和计算机，于是新的交叉科学——磁电子学（自旋电子学）就应运而生。3自旋电子学众所周知，电子具有位移和自旋两类运动，电子位移与带电粒子的运动都会产生电流，而电子自旋则是物质磁性的起源。现在的一切电子器件和半导体芯片（除MRAM外）都是基于电子位移的原理而工作的。由于带电粒子位移需要一定的能量和时间，所以电子器件和计算机的性能受到了限制。人们在研究半导体中载流子、掺杂磁性原子以及原子核等自旋极化性质的基础上，通过对电子自旋态的产生、注入以及输运的控制，半导体将展示许多新颖的功能，由此导致了半导体自旋电子学的出现。它是当今一个崭新的前沿科学领域，其发展和应用具有十分诱人的前景。一般而言，半导体自旋电子学具有两个分支领域：一个是半导体磁电子学，它是利用磁性半导体材料或者磁性/半导体的复合材料，将磁性引入到半导体中来，由此可以研制光学隔离器、磁感应器以及非挥发性存储器等新的半导体器件，而且这些都可以集成到其他半导体器件和电路中。如果将光学、磁学和电学性质结合起来，还会产生生自旋场效应电晶体、自旋发