自旋電子學與自旋電子器件簡述

1、自旋電子學與自旋電子器件簡述自旋電子學與自旋電子器件簡述陳閩江，邱彩玉，孫連峰（國家納米科學中心器件研究室北京100190）一、引言一、引言2007年10月，瑞典皇家科學院宣布，將該年度諾貝爾物理學獎授予在1988年分別獨立發(fā)現(xiàn)納米多層膜中巨磁電阻效應的法國AlbertFert教授和德國PeterGrunberg教授。其隨后的應用不啻為革命性的，因為它使得計算機硬盤的容量從幾十兆、幾百兆，一躍而提高了幾百倍，達到幾十G乃至上百G。越來越

2、多的人開始了解這個工作及其對我們生活的影響，并意識到這個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(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(ColossalMagesistance，CMR)，特別是1995年在鐵磁性隧道結材料中發(fā)現(xiàn)了室溫高隧穿磁電阻效應(TunnelingMagesistance，TMR)以及后續(xù)形成的稀磁半導體等研究熱潮，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，不僅迅速推動了近20年凝聚態(tài)物理新興學科——自旋電子學(spintronics)的形成與快速發(fā)展，也極大地促進了與自旋極化電子輸運相關的磁電阻材料和新型自旋電子學器件的研制和應用。中國科學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90年代應用的突破，這粒種子長成了一棵小苗——自旋電子學，這是一個成長很快、前景廣闊的磁學分支?！倍?、

4、電子自旋與自旋電子學二、電子自旋與自旋電子學要闡明自旋電子學，就不得不先簡述一下電子自旋這一概念。電子自旋不是電子的機械自轉，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)稟角動量和內(nèi)稟磁矩。它們的存在標志電子還有一個新的內(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自由度的坐標（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）的投影的兩個可能取值的波幅，即波函數(shù)中還應該包含自旋投影這個變量（習慣上

5、取為），ZS從而記為。與連續(xù)變量r不同，只能取兩個離散值。()Zrs?ZS2??接下來，認識電的和磁的相互作用在強度上的差異和不同的特點，可以了解自旋電子學的潛力。電荷周圍存在電場，通過靜電力和其他電荷發(fā)生相互作用，這種相互作用是強的和長程的。在常見的半導體中，兩個相距5的元電A?荷間的相互作用能可達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的一對電子自旋之間的磁偶極耦合能卻只有A?變而導致電

6、阻改變的現(xiàn)象。由于磁化方向的導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）。磁電阻的相對比值磁致電阻（Magesistance，MR）可表示為：。和分別為有磁場作用下和磁場為零時的電阻。0()HHMRRRRRR????HR0RMR值隨磁場增大而增大，最后達到飽和。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中電阻變化率高

7、達50%的巨磁電阻效應（GMR）被發(fā)現(xiàn)各國科學家開始從理論和實驗上對多層膜GMR效應展開了廣泛而深入的研究。GMR產(chǎn)生機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，只有幾個納米厚，甚至不到一個納米。當這個隔離層的厚度是一定的數(shù)值時，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足夠大時，鐵磁材料磁矩的方向變?yōu)橄嗷テ叫小ｋ娮油ㄟ^與電子平均自由程相當厚度的納米鐵磁薄膜時，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，當鐵磁層的磁矩相互平行時，載流子與自旋有關的散射最小，材料有最小的電阻。當鐵磁層的磁矩為反平行時，與自旋有關的散射最強，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）對于反鐵磁耦合的多層膜，需要很高的外磁場才能觀察到GMR效應，故并不適用于器件應用。在GMR效應基礎上人們設計出了自旋閥，使相鄰鐵磁層的磁矩不

9、存在（或只存在很小的）交換耦合。自旋閥的核心結構是兩邊為鐵磁層，中間為較厚的非鐵磁層構成的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小的外加磁場即可響應，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)生變化導致GMR的電阻值改變。如此，在較低的外磁場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。自旋閥結構的出現(xiàn)使得巨磁電阻效應的應用很快變?yōu)楝F(xiàn)實。最常用的