电子科技大学自旋电子学第一章

第一章导论纳米电子学与spinelectronics(spintronics)唐晓莉微固学院215室[e-mail]自旋电子学第一章导论第一章：导论第一章导论MpM电子的两大量子特性电荷自旋NP++++++++++++++++----------------ENP++++++++++++++++----------------191.6021010eC291.1653010/sMWbm通过电场调制半导体中数目不等的电子和空穴——微电子学/半导体电子学通过磁场操纵电子的自旋取向？？——自旋电子学第一章导论第一章导论自旋电子学通过磁场等在介观尺度上调制自旋状态，借助电子传导与磁性间的关联效应，实现对电子输运特性的调制第一章导论第一章导论第一节电子的自旋的发现一.塞曼（Zemman）效应荷兰物理学家Zemman1896年，荷兰物理学家塞曼使用半径10英尺的凹形罗兰光栅观察强磁场中的纳火焰的光谱，他发现钠的D谱线似乎出现了加宽的现象。当时的解释：由于电子存在轨道磁矩，并且磁矩方向在空间的取向是量子化的，根据洛伦兹电磁理论，在强磁场作用下能级发生分裂，谱线分裂成间隔相等的3条谱线。——正常Zemman效应1902年塞曼和洛伦兹获诺贝尔物理奖第一章导论―反常”塞曼(Zeeman)效应2p3s钠黄线的反常塞曼分裂计及轨道磁矩钠原子D线精细光谱图2p1/22p3/2D2D11897年12月，普雷斯顿（T.Preston）报告称，在很多实验中观察到光谱线有时并非分裂成3条仅用原子轨道磁矩是无法解释原子光谱的多重复杂分裂。原子内还有一种也是分立的磁矩存在！第一章导论1921－1922年间史特恩－盖拉赫实验关于空间量子化的演示--关于电子自旋的第一个实验二.史特恩（Stern）-盖拉赫（Gerlach)实验第一章导论史特恩1912年获得Breslaub大学物理化学博士学位在布拉格的爱因思坦(Einstein)的第一个学生盖拉赫1912年于图宾根大学获得物理学博士学位1943年诺贝尔物理学奖--发展分子束方法上所作的贡献和发现了质子的磁矩第一章导论无磁场有磁场NS一束银原子束(由在炉子中加热到1000摄氏度得到的金属蒸汽通过喷流过程形成的)用两个0.03毫米宽的狭缝准直后导入3.5厘米长的偏转磁场内,磁场强度约为0.1Tesla,梯度为10Tesla/cm。史特恩一盖拉赫实验装置图（1921年）第一章导论第一章导论史特恩－盖拉赫实验的动机目的：证明原子在外磁场中具有空间量子化特征。根据玻尔模型空间量子化应该只是两重的,因为轨道角动量的投影被限定为±h这个两重的特征，使得利用原子束的磁偏转验证空间量子化成为可能。尽管原子束的速度分布会使模糊条纹,但在足够大的磁场梯度下,两个取向相反分量的劈裂会大于原子束的宽度。与此相对照,经典力学预言原子磁体虽然会在磁场中进动但仍然保持随机取向,因此磁偏转会导致束的加宽(但不会劈裂)。因此,史特恩认为他的预想中的实验“如果成功的话,将毫不置疑地在量子理论和经典观点之间作出抉择。”第一章导论SNzyB实验发现：原子沿相反的方向，等间距地朝两边偏转研究表明：原子中存在磁矩，进而受磁场洛伦兹力的作用改变了运动轨迹M可以从受力的角度来分析实验实验数据表明：由于磁场沿z方向，原子在z方向受到的力第一章导论原子磁矩的来源？电子绕核运动，形成的轨道磁矩单电子绕核产生的轨道磁矩：≠第一章导论因为角动量量子化，磁矩也量子化，所以在非均匀磁场中,l态的原子束分裂成2l+1条。银原子的轨道角动量就是其最外层的价电子的轨道角动量;银原子基态时，该价电子的l=0，原子是不应偏转（2）如果存在某种磁矩，它应该只取两个值实验结果与理论不符（1）除轨道磁矩外，必然存在别的磁矩第一章导论三.电子自旋的假设提出1925年，两位荷兰学生乌伦贝克（Uhlenbeck）和哥德斯密特（Goudsmit）在分析上述实验的基础上提出了电子自旋假设：(1)电子不是一个质点，它存在一种内秉的运动__自旋，相应地有自旋角动量和自旋磁矩。(2)电子自旋角动量，在任何方向上的投影只有两个数值2zS(3)自旋形成自旋磁矩与的关系是：SsMS1()sMecS根据该假设，sM的投影1(2)szBMec在z方向与实验完全吻合！第一章导论钠黄线的反常塞曼分裂加弱磁场计及自旋轨道耦合2p3s24/32/3Em–1/21/2–3/23/2–1/21/2–1/21/2m―反常”塞曼(Zeeman)效应2P3/22P1/2D2D1第一章导论第二节自旋的产生和输运一.斯托纳（Stoner）能带模型未考虑交换作用考虑交换作用理论要点：过渡铁磁性金属的d电子形成了窄能带，自旋向上（）的电子和自旋向下（）的电子分别位于两个次能带中，由于交换作用而产生的分子场使自旋简并的两个次能带的能级发生了相对位移，出现了未抵消的自旋。第一章导论1）铁磁材料的磁性起源于交换相互作用(Exchangeinteraction)。第一章导论（2）3d能带的劈裂导致自旋向上和向下电子在费米面的状态密度(DOS)的不同（3）状态密度不同引起迁移率(mobility)不同:DOS大—电子受到的散射强－－DOS小－电子受到的散射弱－－铁磁金属的3d能带劈裂电子输运理论：传导电子的散射几率正比于费米面附近的能态密度电子自旋极化Ni迁移率低迁移率高第一章导论二.自旋电子学中的几个核心物理量1.自旋相关散射和自旋极化普通金属费米面附近自旋向上和向下电子的态密度（），传导电子的散射是自旋简并的s电子间的散射输运自旋非极化的电子流NN自旋取向无关的弱散射第一章导论铁磁金属自旋简并的电子能带分裂成非对称的结构（），自旋向上和向下的电子具有不同的散射截面和电阻输运自旋极化的电子流NN磁性金属中能带的交换劈裂效应是自旋极化和自旋相关散射的物理基础自旋取向相关的强散射第一章导论自旋极化率：()()nnpnn3d4sP=45%P=100%n↑和n↓分别表示在费密面自旋向上和向下的电子数。材料NiCoFeNi80Fe20Co50Fe50Co84Fe16自旋极化率(％)334544485149实验结果：第一章导论2.自旋积累(spinaccumulation）和自旋扩散长度(spindiffusionlength)当电流流经铁磁金属时形成自旋极化电流。这也意味着，当电流从FM层通过欧姆接触的界面流进顺磁金属(PM)时也是自旋极化的自旋积累自旋积累的大小取决于FM/PM界面上自旋注入率和自旋翻转spinflip率第一章导论电子的自旋取向相对稳定，在输运过程中，在与磁性杂质或动态缺陷发生相互作用的时候----自旋翻转自旋扩散长度（spindiffusionlength):Fv:Fermivelocity:Spinfliptime:Meanfreepath第一章导论室温下自旋扩散长度钴铁FeNi金、银、铜、铝自旋向上↑5.5nm1.5nm4.6nm1-10m自旋向下↓0.6nm2.1nm0.6nm1-10m电子自旋相关散射是自旋电子学的核心！第一章导论第三节自旋电子学的发展电子是电荷的载体，同时也是自旋的载体但是除了认识到电子自旋对磁矩的贡献之外，人们几乎从来没有意识到电子自旋有什么用处。电子的自旋翻转”Spinflip”和极短的spin-fliptime让自旋电子无法区分，也无从控制.纳米技术和薄膜技术的发展第一章导论1986年Grunberg在Fe/Cr/Fe三明治结构中Cr适当厚度（1nm）产生反铁磁耦合Phys.Rev.Lett.57(1986)2442FeFeCr∼1nmFeFeCr皮特-克鲁伯格（德国）电子自旋的序幕第一章导论1988年，baibich在测量外延Fe/Cr/Fe磁多层膜时，发现其电阻值随外磁场变化而显著变化，称为巨磁阻效应(GMR)。揭示了自旋相关效应。艾尔伯-费尔(法国)Baibich，Phys.Rev.Lett.61,2472–2475(1988)薄膜的电阻值随外加磁场的增加而减小，室温下磁电阻变化率MR也有17%R(H=0)-R(H=HS)R(H=HS)ΔR/R=T=4.2K第一章导论2007年诺贝尔物理学奖：皮特-克鲁伯格和艾尔伯-费尔瑞典皇家科学院在评价这项成就时表示，今年的诺贝尔物理学奖主要奖励“用于读取硬盘数据的技术”,这项技术被认为是“前途广阔的纳米技术领域的首批实际应用之一”。第一章导论1990，Parkin发现外延磁多层膜Fe/Cr,Co/Ru,Co/Cr中巨磁阻随隔离层厚度的振荡效应来源于层间交换耦合对磁结构的影响。反铁磁交换耦合铁磁交换耦合Fe/Cr超晶格中发现的巨磁电阻效应：（1）自旋相关散射；（2）磁层间耦合Parkin.etal.Phys.Rev.Lett.64(1990)2304第一章导论S.S.P.Parkin,Appl.Phys.Lett.,58,2710–2712,19911991年，IBM实验室的Parkin利用磁控溅射方法制备了Co/Cu多层膜，也发现大的巨磁阻效应。一系列铁磁金属(Fe，Co，Ni)及合金和贵金属(Cu，Ag，Au)或3d，4d及5d非磁金属构成的多层膜----巨磁电阻效应(GMR)第一章导论强的反铁磁耦合效应同时导致了一很高的饱和场Hs伪自旋阀/赝自旋阀(PseudoSpinValve,PSV)自旋阀(SpinValve，SV)FM2FM1NM矫顽力极易受多种因素的影响，难以控制；磁滞效应限制了器件灵敏度的提高第一章导论1991年,Dieny提出了自旋阀结构，使GMR材料的应用研究迈进了一大步Si/150ÅNiFe/26ÅCu/150ÅNiFe/150ÅFeMn/20ÅAgSiFeNi15nmFeNi15nmCu2.6nmFeMn15nmJ.Appl.Phys.69(1991)4774低饱和场的巨磁电阻效应,GMR~5%-10%，饱和场10-30Oe第一章导论CIPCPP能否进一步增加自旋阀磁电阻？1994年Pratt和Levy垂直多层膜的GMR(CPP)，比CIP高4倍的变化Phys.Rev.Lett.66(1991)3060--------70(1993)3343低饱和场的巨磁电阻效应,GMR~10%-20%，饱和场10-40Oe∆R/R=15％(10％)-20246810121416-600-400-2000200400600H(Oe)MR(%)NOL15%8%Koui.etal和Huaietal8th.JointMMM-IntermagConference2001CPPCIPCPP结构;纳米氧化层第一章导论1992年，A.E.Berkowitz和肖强（J.Q.Xiao)教授分别发现了Co-Cu颗粒膜中的巨磁阻效应。Phys.Rev.Lett.68,3749–3752(1992)颗粒膜的研究集中在Cu、Ag为基的Fe/Co/Ni及其合金所构成的两类颗粒膜体系中，采用共溅射或共蒸发，再在不同温度下退火，使铁磁金属从非磁母体中脱溶出来，形成高度弥散的颗粒膜Phys.Rev.Lett.68,3745–3748(1992)磁颗粒膜非磁母体磁性颗粒第一章导论1992年，德国Helmolt教授在钙钛矿结构La2/3Ba1/3MnOx中发现了庞磁阻效应(CMR)Helmolt，Phys.Rev.Lett.71,2331(1993)第一章导论1995,Moodera报道了在隧道结中的隧道磁阻效应，称为TMR(TunnelingMR)Moodera,Phys.Rev.Lett.74:3273–3276(1995)CurrentAl2O3隧穿层第一章导论MgO(001)基片FeMgO(001)Fe(001)室温CoeyNatureMater4(2005)92004年，MgO隧道结S.YuasaJpnJApplphysvol43L588(2004.4)第一章导论1995年，Monsma教授提出自旋阀晶体管(