巨磁电阻和自旋电子学-北京大学物理学院

巨磁电阻和自旋电子学詹文山中国科学院物理研究所磁学国家重点实验室2007.12.2007年诺贝尔物理学奖PeterGrünberg---克鲁伯格1939年5月18日出生。从1959年到1963年，克鲁伯格在法兰克福约翰-沃尔夫冈-歌德大学学习物理，1962年获得中级文凭，1969年在德国达姆施塔特技术大学获得博士学位。1988年，他在尤利西研究中心研究并发现巨磁电阻效应；1992年被任命为科隆大学兼任教授；2004年在研究中心工作32年后退休，但仍在继续工作。他1994年获美国物理学会颁发的新材料国际奖(Fert、Parkin共同获得)；1998年获由德国总统颁发的德国未来奖；2007年获沃尔夫基金奖物理奖(与Fert共同获得)。AlbertFert---费尔1938年3月7日出。1962年在巴黎高等师范学院获数学和物理硕士学位。1970年从巴黎第十一大学获物理学博士学位，前在该校任物理学教授。他从1970年到1995年一直在巴黎第十一大学固体物理实验室工作。后任研究小组组长。1988年，他发现巨磁电阻效应，随后对自旋电子学作出过许多杰出贡献。1994年获美国物理学会颁发的新材料国际奖，1995年至今则担任国家科学研究中心-Thales集团联合物理小组科学主管,1997年获欧洲物理协会颁发的欧洲物理学大奖，以及2003年获法国国家科学研究中心金奖。一、序言二、巨磁电阻GMR三、隧道磁电阻TMR五、物理所MRAM研究进展四、硬盘存储器--垂直磁存储技术自旋自旋一、序言电子电荷自旋191.6021010exc291.1653010/sMxWbm在半导体材料中有电子和空穴两种载流子极化电子有自旋向上和向下的两种载流子电子M低温下电子弹性散射的平均时间间隔10-13秒，平均自由程10nm。非弹性散射的平均时间间隔10-11秒，相位干涉长度1m。极化电子自旋保持原有极化方向的平均间隔时间10-9秒，自旋扩散长度100m。室温下自旋扩散长度钴铁FeNi金银铜铝自旋向上↑5.5nm1.5nm4.6nm自旋向下↓0.6nm2.1nm0.6nm1-10m电子的自旋通常只有在磁性原子附近通过交换作用或者通过自旋-轨道耦合与杂质原子或者缺陷发生相互作用被退极化。A.电子的输运性质自旋极化电子的特性lsdB.电子自旋极化度当电子通过铁磁金属时，电子由简并态，变成向上(+1/2)和向下(-1/2)的非简并态，极化度表示为自旋极化度NNPNN实验结果：材料NiCoFeNi80Fe20Co50Fe50Co84Fe16自旋极化度(％)334544485149N↑和N↓分别表示在费密面自旋向上和向下的电子数。3d4sP=45%P=100%自旋极化电子的特性铁磁体磁化方向典型的两种效应：巨磁电阻GMR和隧道磁电阻TMR非磁金属Cu-GMR绝缘体Al2O3-TMR量子隧道效应示意图铁磁体铁磁体中间层绝缘层势垒Rp=平行耦合时的电阻Rap=反平行耦合时的电阻1986在Fe/Cr/Fe纳米磁性多层膜发现反铁磁层间耦合效应二、巨磁电阻GMR是自旋电子学产生的基石1986年P.GrünbergFe/Cr/Fe三明治结构中Cr适当厚度产生反铁磁耦合Unguris.etal.Phys.Rev.Lett.67(1991)140FeFeCr∼1nm反铁磁耦合与振荡效应的实验证明FeFeCr彼得·格林贝格尔↑↑↑↑↑↑↑↓↑↓↑↓饱和磁场随Cr层厚度变化的振荡关系铁磁耦合反铁磁耦合1988年Baibich,A.Fert等发现(Fe/Cr)多层膜的巨磁电阻效应金属多层膜的巨磁电阻反铁磁耦合(H=0)Phys.Rev.Lett.61(1988)2472Fe/CrCo/Cu阿尔贝·费尔A.FertG.Binasch,P.Grünberg,etal.,PRB39(1989)4828.(Fe/Cr)n的R/R0磁电阻随周期数n的增加而增大Parkin.etal.Phys.Rev.Lett.64(1990)2304∆R/R(％)随Cr厚度变化的振荡关系↑↑↑↑↑↑↑↓↑↓↑↓饱和磁场随Cr层厚度变化的振荡关系↑↓↑↓1990年Parkinetal多层膜的交换耦合振荡效应和巨磁电阻效应1020304051015Crthickness(Å)SaturationField(kOe)饱和磁场随Cr层厚度变化的振荡关系磁控溅射法(Co/Cu多层膜)磁化强度平行，RP电阻小磁化强度反平行，RAP电阻大RPRPRPRPRAPRAPRAPRAP二流体模型自旋电子极化方向平行磁化强度方向-平均自由程长自旋电子极化方向反平行磁化强度方向-平均自由程短巨磁电阻GMRCuCo%%APPPRRMRRGMR自旋阀SV1990年Shinjo两种不同矫顽力铁磁层的自旋阀结构1991年Dieny用反铁磁层钉扎一层铁磁层的自旋阀结构J.Appl.Phys.69(1991)4774Si/150ÅNiFe/26ÅCu/150ÅNiFe/150ÅFeMn/20ÅAg-400-300-200-10001002003004000246MR(%)H(Oe)Co/Cu/Co/FeMnMR=7%反铁磁层钉扎铁磁层自由铁磁层SiFeNi15nmFeNi15nmCu2.6nmFeMn15nmAg2nmMR=2.2%GMR的部分应用反铁磁层铁磁层1铁磁层2非磁性层•硬盘读出磁头•GMR隔离器•传感器•GMR-typeMRAM(Honeywell公司曾制作出1Mb的MRAM,估计军方是唯一用户)2004年~170Gbit/in2预计不久到1000Gbit/in2,最终可能到50Tbit/in2(100nm65Gbit/in2)2000100硬磁盘读出头的发展TMR磁头-300Gbit/in2(2006)CompassingGlobalPositionSystemsVehicleDetectionNavigationRotationalDisplacementPositionSensingCurrentSensingCommunicationProducts通信产品TheWorldofMagneticSensors罗盘全球定位车辆检测导航位置传感器电流传感器转动位移三、隧道磁电阻TMR1975年Julliere在Fe/Ge/Co中发现两铁磁层中磁化平行和反平行的电导变化在4.2K为14％。Phys.Lett.54A(1975)2251982年Maekawa等在Ni/NiO/Ni，(Fe、Co)等发现磁隧道电阻效应IEEETrans.Magn.18(1982)707钉扎铁磁层非磁绝缘层可变铁磁层电流方向电流方向自旋极化电流磁化强度方向自旋极化度NNPNNN↑和N↓分别表示在费密面自旋向上和向下的电子数。121221PPTMRPP↑↑电阻RP小↑↓电阻RAP大隧道磁电阻TMR量子隧道效应示意图(Fe/Al2O3/Fe)%%APPPRRMRR1995年Miyazaki在Fe/Al2O3/Fe三明治结构，在室温下有15.6％的磁隧道电导变化，磁场灵敏度为8％/Oe。Al2O3FeFeAl2O3FeFeJ.Magn.Magn.Mater.139(1995)L231----151(1995)403↑↑↑↑↑↑↑↓↑↓↓↓↓↓↓↑↓↑Fe/Al2O3/Fe电阻隧磁场变化Fe/Al2O3/Fe磁滞回线(一)氧化铝为绝缘层的磁隧道电阻自由复合铁磁层绝缘层反铁磁层钉扎铁磁层隧道结典型示例(二)MgO单晶势垒的磁隧道效应w.wulfhekelApplphyslettvol78509(2001.1)用MBE制备单晶磁隧道结MgO(001)基片FeMgO(001)Fe(001)Fe(001)MgO(001)-5ML/Fe(001)STM测量隧道效应，黑线对应灰色区域，虚线对应黑点(较低的隧道势垒)。镀上金Au电极层实验为理论提供条件Fe(100)MgO3.9MLFe(100)MgO2MLFe5MLFe(100)MgO5MLAu2001.1实验结果2001.9A.Fert小组用氧化镁做绝缘层，在30K得到TMR60％CoFeB/MgO/CoFeB磁隧道结的TMRDjayaprawira.etal.Applphys.lett.86.092502(2005)退火温度TA=3600C(2h，H=8kOe)採用磁控濺射技术制备MTJ(1mx1m)MgO用射频rf濺射制备CoFeB/MgO界面清晰、平滑，MgO有很好的(001)纤维晶体织构Ru(7)Ta(10)MgO(1.8)Si基片Ta(10)PtMn(15)Co70Fe30(2.5)Ru(0.85)Co60Fe20B20Co60Fe20B202005.2实验结果室温:MR=230％20K:MR=294％RA=420m2RA=440m22006年12月日本日立公司和东北大学发表：TMR472％写入读出位线字线写线写线位线字线WWLRWLGNDBLMTJCMOS磁性隧道结的应用--MRAMMotorolaMTJMRAMstructureMRAM与现行各存储器的比较（F为特征尺寸）技术DRAMFLASHSRAMMRAM容量密度256GB256GB180MB/cm2256GB速度150MHz150MHz913MHz500MHz单元尺寸25F2/bit2F2/bit2F2/bit联接时间10ns10ns1.1ns2ns写入时间10ns10s10ns擦除时间1ns10s10ns保持时间2.4s10years无穷循环使用次数无穷105无穷无穷工作电压(V)0.5-0.6V5V0.6-0.5V1V开关电压0.2V5V50mVMRAMDRAMFLASH256KbMRAMchipCourtesyofMotorola非挥发性高的集成度高速读取写入能力重复可读写次数近乎无穷大功耗小●●●●●●基于TMR构建的磁存储器(MRAM)具有MRAM具有抗辐照能力（国防、航天至关重要）●MRAM内存储器：非挥发性；抗辐照；速度快外存储器：比Flash存取速度快1000倍;功耗小；寿命长；密度高可能取代闪存Flash和硬盘四、硬盘存储器--垂直磁存储技术磁头磁盘(表面的多层磁存储材料薄膜也称为磁媒)基片(铝质或钢化玻璃)硬盘存储器成机(驱动器)IBMRAMAC19552kbits/in250x24”diadisksMicrodrive20041x1”diadiskSize:4×3×0.5cm8Gbyte5MbyteSeagate2004108Gbits/in23x3.5”disks目前总量:750Gbyte密度:150Gbit/in2400GbyteScaling磁盘片发展过程硬盘磁记录发展历史薄膜磁头磁电阻磁头巨磁电阻磁头磁记录介质的超顺磁效应100Gb面密度Mbit/in21GbDeskstar7K1000*1000/750GB–SATA*最大磁录密度为每平方英寸148GB*最大磁碟数据传输速率为1,070Mb/s*平均寻道时间（包括指令执行时间）为8.7毫秒*转速7200RPM，平均延迟时间为4.17毫秒*高26.1毫米（最大）*重700g（最大）*5/4磁碟，10/8录写磁头–SATA*300G/1ms震动（非作业避震）*9.0（5磁碟）/8.1（4磁碟）瓦特省电空闲–SATA*一般空闲声量：2.9贝尔*作业温度：摄氏5至60度Deskstar7K1000SATA版本将于2007年第一季度上市，有750GB和1TB两种容量。1TB容量硬盘的建议零售价为399美元。日立环球存储科技（HitachiGST）公司硬磁盘硬磁盘可能的竞争对手(垂直磁记录)闪存FlashMRAM读写速度机械运动连续磁介质非连续磁介质图形磁介质热辅助垂直记录氧化物存储相变存储高存储密度读写速度快无运动部件完全是微电子工艺闪存Flash价格偏高读写循环次数少寿命？浮动栅用量子点或纳米颗粒发现了电致各向异性电阻、磁电阻效应氧化物存储技术有可能成为信息存储器件的新原理SrTiO3La0.6