材料物理2010第3章10-6-巨磁阻效应和磁电子学.

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定性解释巨磁电阻效应：
（A）按量子力学，电子分为两类，一类自旋平行于局域 （某一磁层中）磁化强度，另一类自旋反平行于局域磁化强 度。
（B）自旋与磁矩反平行的电子受到的散射非常强，自旋 反平行有很短的平均自由程，其电阻很大；相反，自旋平 行电子有长的平均自由程和低的有效电阻．
（C）无论是在界面还是层内，只要有不同的自旋散射， 就有巨磁电阻效应存在．大量的研究表明，至少在大△R ／R的系统中,表面散射占统治地位．
典型的非耦合的基本结构为： FM1/NM/FM2/AFM。
自由层
非磁层 约2.3nm
反铁磁层通过界面的 交换耦合使相邻FM 层的Ms钉扎在某一 方向
该结构即为自旋阀, 实用器件单元结构
在很低的磁场下可使FM1与FM2平行或反平 行，从而得到足够大的△R/R和磁场灵敏度 △R/R/HS。
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10.6 巨磁电阻效应和磁电子学
磁电阻：材料的电阻R随外磁场H发生变化的现象
磁电阻发展历史：
R(H ) R(0) R
R(0)
R(0)
➢正常磁电阻(OMR)普遍存在与所有的金属和半导体中，f
qv
B
源于磁场对电子的洛仑兹力；
△R/R(0)>0，且各向异性ρ⊥>ρ// >0 ，低磁场下△R/R(0)很小，无饱和。
➢ 1988年， 在金属Fe/Cr多层膜中发现了巨磁电阻效应GMR;
△R/R(0)为负值，绝对值比AMR高1~2个数量级。 GMR效应引起科学与技术界的广泛重视。研究 及应用开始迅速发展 。2007年Nobel物理奖!!
➢ 尔后: 铁磁颗粒与非铁磁金属组成的 不均匀合金中也观察到GMR；
➢ 近年: 两种新的巨大磁电阻效应得到 发展：
(1)铁磁/绝缘体/铁磁结构的隧道结巨磁电阻TMR；
(2)钙钛矿型锰氧化物系统中的庞磁电阻CMR.
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Nobel prize recognizes GMR pioneers
➢"for the discovery of giant magnetoresistance". ➢Independently in 1988, led to a dramatic rise in the amount of data that can be stored on computer harddisk drives.
磁性隧道结的磁电阻值高于自旋阀， 室温ΔR/R可达50%。
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(5)自旋极化电流及CMR材料
自旋极化度的定义：
P n n n n
n , n 为电流中电子自旋向上及向下的浓度
Fe、Co、Ni的自旋极化度P的数值为+40%、+35%和+23%。
传导电子自旋极化度 P=1的材料意义重大;
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(3)多层膜与自旋阀
Fe Cr
➢在多种多层膜中观察到GMR ➢层间反铁磁耦合时可观察到GMR，ΔR/R大 ➢铁磁耦合时无GMR
(a)
非磁金属层厚变化 铁磁与反铁磁 耦合振荡
(b)
Multilayer
处于反铁磁耦合，饱材和料磁物场理HS上高海。大学
为降低HS，最常用的方法是适当 增厚NM层，使层间耦合接近于0
➢感应式薄膜磁头读出硬磁盘上存储的微弱信息。从物理上看，该磁头是 在测量微小磁单元的磁通变化量。为达到必要灵敏度，硬盘必须快速旋 转，磁头在磁盘上只好“走马观花”了。
➢使用GMR作读出磁头后，它测量的是磁通量，而不是变化量，并不要 求磁盘高速旋转，读出信息的分辨率就大大提高了。
➢多层膜结构的磁化过程还压制了噪声，从而将磁头的信噪比大幅度提高。 目前，一种自旋阀型多层膜GMR磁头的灵敏度高达每微米0.6至1.0毫伏。 达到每平方英寸100亿位至200亿位密度。
(4)磁性隧道结MTJ和其GMR效应
以绝缘层I代替自旋阀的非磁金属层即 为MTJ， 常用的基本结构: FM1/I/FM2/AFM 工作电流垂直于膜面(CPP)。
➢I层厚度约1~2nm，可有隧道电流跨过I 层； ➢隧道电流与Fermi面的能态密度N(EF) 有关，也与自旋有关; ➢ 当FM1和FM2的Ms平行时为低电阻,相 反时为高电阻
代表自旋↑和↓，相应于与MS方向相同或相反。
对大块铁磁金属，传导电子因碰 撞而不断改变自旋方向。自旋扩 散长度约为百纳米量级，平均自 由程约几十纳米。
对纳米尺度的铁磁体，可由双电 流模型解释，总电阻为：
/( ) (10 121)
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(2)自旋相关散射与GMR
若N↓ (EF)> N↑ (EF)，则↓的传导电子受到散射大，
↓< ↑,ρ ↓ > ρ ↑。
FM/NM/FM三层膜示意图,电流与膜面平行.
当相邻铁磁层的MS反平行时: ↓和 ↑ 的传导电子 在Ms与其自旋平行的铁磁层界面受到 小的散射; 在MS与其自旋反平行的FM/NM界面受 到较大的散射，总电阻较高；
当两铁磁层的MS平行时，只通过自旋 与MS平行的电子，呈低电阻态。
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10.6.2 自旋相关导电
传统导电机制: 电子或离子的电荷转移及其散射, 与电子自旋无关
自旋相关导电：导电依赖于载流子自旋的方向。不同材料具有不同 的自旋相关导电机制。
(1)双电流模型
正常金属电阻率:
m* / ne2
(10 117 )
散射的弛豫时间:
~ ~ 1/V 2 N(EF )
半金属材料和掺杂的钙 钛矿型锰氧化物P=1
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锰氧化物(金属/绝缘体相变和庞大磁阻) 研究进展
➢1857年，凯尔文首先发现了铁的磁电阻，称为各向异性磁电阻 AMR，源于电阻比△R/R(0)>0，而垂直于磁场方向<0， 可在低磁场下饱和，饱和值1%~5%。
20世纪70年代，OMR和AMR均用于传感器
90年代，AMR开始用于硬磁盘读出头
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磁电阻发展历史续：
(10 118)
正常金属和半导体中各参量与电子自旋无关，因而电阻 率与自旋无关。
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3d族铁磁金属: TC以下，由于交换作用发生自发磁化，s和d电子不同自旋的次能带发生分裂
导电公式为： m* / n e 2
(10 119 )
~ ~ 1/ V 2 N (EF )
(10 120)