稀磁半导体超晶格中的隧道磁电阻
隧道磁电阻(TMR)效应.
结果：
T
exp
2
x2
h
2mV Edx exp 2I
x1
简化： 位垒 与坐标无关，T exp 2 h 2mV0 E X 2 X1
（1）强入射、弱势垒 入射能量 E接近 V0、 绝缘层很窄 (X2-X1)→ 0。 那么，I → 0；T→1。 电子的穿透。
（2）弱入射、强势垒 反之。 那么，I → 很大；T→很小。电子受阻。
I exp A U0 D1 D2 D1 D2
（注意：数值大小是 D d d D ）
Julliere公式（2）
隧穿电流的大小 ? 问题：I > I ？ 这就是TMR效应
如果 D D d d D d D d 2D d
就有 D D d d 2D d 0
当然 D d 2 0
不同自旋极化状态 等效于
“附加的”空隙。
结束
简单代数运算，得到 Julliere的公式，
TMR 2P1 P2 1 P1 P2
Julliere公式（5）
“保守的”Julliere的公式
TMR I I I
TMR 2P1 P2 1 P1 P2
例子，如果，以Fe和Co 作为电极，
p1Fe 0.44 , P2 Co 0.34
Ch 3 隧道磁电阻（TMR）效应
本讲内容（2学时）重点：
1 隧穿现象和 隧道磁电阻（TMR）效应
2 Julliere公式
3 STM 和自旋极化的STM
隧穿现象
“M－I—M” 振荡波和衰减波
电子的穿透率 T J tran J in Vt t 2 Vi i 2 用 WBK 方法计算波函数
计算穿透率 T 自由电子情况
问题： 自旋极化的STM和Julliere公式 （隧穿电流与自旋相对取向有关）
第三讲自旋电子学课件
近似：电子与（热激发）自旋波散射可以忽略， （低于居里点） 只考虑电子与磁性离子自旋间的散射。 （s－d散射）
约定：与磁矩同方向的电子处于主要子带（majority）
相反方向自旋电子处于次要子带（minority）
两流体模型（2）
自旋相关散射(磁电阻效应)
FM(Ni-Fe)
S1
S2
(Al-O)
NM(Cu(001))
FM(Co(001))
上下自旋平行时电子容易通过--低电阻态 上下自旋反平行时电子被散射—高电阻态
Capping layer
Free layer
Tunnel barrier Reference layer Spacer layer Pinned layer Pinning layer
当然 D d 2 0 不等式成立
Julliere公式（3）
TMR 比率（放大的）
定义 TMR I I I
分子 ＝ D1 D1 D2 D2
分母 ＝ D1 D2 D1 D2
Julliere公式（4）
TMR的公式（用自旋极化率 表示）
第一个电极 p1 D1 D1 D1 D1 第二个电极 p2 D2 D2 D2 D2
TMR实验结果
韩秀峰等 （2000）
隧道磁电阻
隧道磁电阻效应的物理机制
Julliere公式（1）
隧穿电流 （近似!）I ∝ 指数衰减部分×状态密度部分
上左图 FM电极的磁矩彼此“平行”
I exp A U0 D1 D2 D1 D2
（注意：数值大小是 D D d d ）
上右图 FM电极的磁矩彼此“反平行”
隧道磁电阻效应中的两种不同的理论方法
首先报道在 铁磁体 绝缘体
铁磁体 结 构的 磁 性隧 道 结 Fe Ge Co 中 就发 现 了 TRM, 并给出了一个简单的计算 TMR 的公式 R = R AP - R P = 2 PP , R R AP 1+ PP
( 1)
. 1994 年, 在类钙钛
其中 R P 和 R AP 分别代表两铁磁层磁化方向平行和 反平行时的电阻, P 和 P 分别为两边铁磁层中传导 电子的自旋极化率 , P = ( N ( E F ) - N ( E F ) ) ( N ( E F ) + N ( E F ) ) , N ( E F ) 和 N ( E F ) 分别代表费 米面附近自旋向上和向下的电子密度 . 使用隧道哈 密顿方法可以得到 Julliere 的公式 . ( 1) 式与一些实 验符合得很好 , 后来的很多研究也是从此公式出发 或以此为基础发展出来的. 之后, Gu 等人
关键词: 隧道磁电阻, Slonczewski 模型 , 隧道哈密顿方法 , 势垒 PACC: 7210 Miyazaki 和 Tezuka 以及 Moodera 等人
[ 6] [ 7]
分别在 Fe
1 引
言
Al2 O3 Fe 和 CoFe Al2O3 Co 组成隧 道结中 获得了 较 高的 TMR. 由于研究表明 , TMR 与两边 铁磁层的自 旋极化率有关 , 于是两边的铁磁性金属被换成自旋 极化率更高的钙钛矿结构的物质如 La0 67 Sr0 33MnO3 , 因为锰氧化物具有几乎完全自旋极化的传导电子, TMR 大大增加 , Lu 等人 发现在由 La0 67 Sr0 33 MnO3 SrTiO3 La 0 67 Sr0 33 MnO3 组成的隧道结中, 在只有几十 个高斯的饱和外磁场下 , 磁电阻率高达 83% . 同时 对其颗粒膜也进行了研究 . 另外 , 铁磁 超导隧道 [ 10] 结中的 TMR 也是研究的一个热点 . 1975 年 , Julliere
隧道磁阻传感器原理(一)
隧道磁阻传感器原理(一)隧道磁阻传感器原理1. 介绍隧道磁阻传感器（Tunneling Magnetoresistance Sensor，简称TMR传感器）是一种常见的磁传感器，具有高灵敏度和低功耗的特点。
它的工作原理基于隧穿效应和磁阻变化。
2. 隧穿效应隧穿效应是指当两个绝缘材料之间存在一个很薄的隔离层时，电子可以通过隔离层的势垒穿越到另一侧。
这种现象在量子力学中被解释为波函数的干涉与隧穿现象。
3. 磁阻变化当电流通过隧道磁阻传感器时，隧穿效应会导致电阻的变化。
在没有外部磁场作用时，电子会以等概率分布在两个自旋方向上，使得电阻保持一个平均值。
4. 磁场作用当外部磁场作用于隧道磁阻传感器时，磁场会改变电子的自旋方向。
根据外加磁场方向的不同，电子的自旋可能与隧道层的自旋相同，也可能相反。
这些不同方向的自旋状态会导致电阻发生变化。
自旋与磁矩电子的自旋与磁矩之间存在一种关联。
具有自旋的电子也具有旋磁矩，这意味着它们可以被磁场影响并发生方向改变。
磁场作用下的电阻变化当外加磁场方向与隧道层的自旋方向一致时，电阻会减小。
相反，当外加磁场方向与隧道层的自旋方向相反时，电阻会增加。
这种磁场引起的电阻变化即称为隧道磁阻效应。
5. 原理图示--|---|---|--| | | |M1 | | | | M2| | | |--|---|---|--6. 应用领域TMR传感器在磁存储、汽车电子、生物医学和工业领域等有广泛的应用。
例如，在磁存储中，TMR传感器可以被用于读取硬盘上的数据。
在汽车电子中，TMR传感器可以检测车辆的转向和速度等信息。
7. 总结隧道磁阻传感器通过利用隧穿效应和磁场作用，实现了对外部磁场的灵敏检测。
它的高灵敏度和低功耗使得它在很多领域中得到广泛应用。
随着技术的发展，TMR传感器在未来可能会有更多令人期待的应用。
CH-1-5-磁电阻
• 磁阻的概念和分类 • 正常磁电阻效应 • 反常磁电阻效应
引子：2007诺贝尔物理奖
巨磁电阻磁 电 耦 合 效 应– GMR(含颗粒膜)
隧道磁电阻
庞磁电阻
– TMR
– CMR
§1-5-0 磁致电阻
0. 概念与分类
概念-磁阻效应: 外加磁场引起的电阻的变化 磁阻变化率:
Fe/Cr/Fe三层膜, 通过适当 厚 度Cr膜为中介,Fe层膜间发生 交换耦合作用,使Fe层薄膜从 FM向AFM发生Crossover
PRL 57(1986)2442
Many Patents, 夫人-
GMR关键的第一步-开拓性意义
中间非磁性层诱导 不同电流方向
铁磁层间反铁磁偶合
Fe/Cr/Fe 三层膜
AMR ~ 10 % NMR ~ 10 % ~ 0.1%
But：
0
AMR NMR 1
~ 1%
Mechanics?
0
0
5%
0
GMR 研究背景：
应用需求：
磁存储 VS 磁电存储
电信号测量：易测量、响应时间快 10-4% （0.01Tesla） 5%
But, 非磁性材料： MR： > 0, 磁性材料 ：MR: < 0,
(Stern-Gerlach)
电子的双重性: 电子的电荷 - 微电子学
电荷
电子的输运电场调制电子与空穴
自旋
20世纪物理学的伟大成就之一 信息革命
诱导出一门新的学科:自旋(磁)电子学(spintronics) - From Lord Kelvin to S-G to Fert
Stern and Gerlach Uhlewbeck & Goudsmit 人们从此发现： 自旋如此重要!!!
隧道磁电阻效应的物理原理
隧道磁电阻效应的物理原理隧道磁电阻（TMR）效应是一种特殊的磁电阻效应，它在隧穿结构中的两个磁性电极之间测量电流时观察到。
隧道磁电阻现象的发现和物理机制的解释对信息存储和传输领域具有重要意义。
隧道磁电阻效应的物理原理可以通过平行磁化的自旋极化电流通过两个磁性电极之间的绝缘材料而实现。
当两个磁电极的磁化方向相同时，电流可以通过绝缘材料，而当两个磁电极的磁化方向相反时，电流是隧穿的。
这种自旋极化电流随磁化方向的改变而改变，导致隧道磁电阻的变化。
隧道磁电阻效应的物理机制涉及到自旋极化和量子力学隧穿的原理。
自旋极化是指在磁场中自旋向上和向下的态分别具有不同的自旋密度。
在隧穿过程中，电子经过绝缘层，其自旋会沿着磁化方向来决定穿越壁的概率。
自旋向上的电子能够减小自旋向下的散射态，因此在磁化方向相同的情况下，电子更容易穿过绝缘层。
而当磁化方向相反时，电子更容易被散射，穿越壁的概率减小，从而导致电流的减小。
此外，该效应的物理机制还涉及到量子力学的隧穿效应。
隧穿是指粒子在经典力学下无法达到的能量大于势垒的区域，但在量子力学描述下，存在一定的概率穿越势垒。
绝缘层实际上形成了一个能垒，电子需要具有足够的能量才能穿过。
但是，由于磁电极的自旋极化导致了势垒的高度发生变化，因此穿越概率也发生改变。
这种自旋诱导的调控使得电流通过绝缘层的变化变得可能。
综上所述，隧道磁电阻效应的物理原理可以归结为两个方面。
首先，自旋极化使得磁化方向相同的电流更容易通过隧穿结构，而磁化方向相反的电流更容易被散射。
其次，量子力学的隧穿效应使得自旋调控下的隧道磁电阻变得可能。
这种物理原理的理解对于设计和优化隧道磁电阻器件具有重要意义，同时也为开发相关的应用提供了基础。
超晶格半导体材料的光磁电效应(Ⅰ)
超晶格半导体材料的光磁电效应(Ⅰ)
罗诗裕;邵明珠
【期刊名称】《半导体学报：英文版》
【年(卷),期】2005(26)9
【摘要】从Shockleyread统计出发,引入载流子寿命与浓度的相关性,描述了超晶格半导体载流子的输运特征,将载流子的输运方程化为二阶非线性方程,并用双参数摄动法找到了方程的一般解.在二阶近似下,计算了半导体材料的短路电流和光导电流,进一步揭示了大信号情况下光磁电效应的非线性特征.
【总页数】5页(P1744-1748)
【关键词】超晶格;半导体;光磁电效应;非线性
【作者】罗诗裕;邵明珠
【作者单位】东莞理工学院
【正文语种】中文
【中图分类】O472
【相关文献】
1.高组分稀磁半导体Cd1-xMnxTe/CdTe超晶格的光调制反射谱研究 [J],
2.半导体超晶格系统中的磁电调控电子自旋输运研究 [J], 王如志;袁瑞玚;宋雪梅;魏金生;严辉
3.半导体超晶格与微结构的发展模式浅析：纪念半导体超晶格与微结构？… [J], 彭英才;傅广生
4.稀磁半导体超晶格中的隧道磁电阻 [J], 马军
5.Ni/BiFeO3超晶格磁电效应的第一性原理计算 [J], 王凯;姜伟
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磁性材料及巨磁电阻效应简介.
磁性材料及巨磁电阻效应简介物理系隋淞印学号SC11002094引言磁性材料是应用广泛、品类繁多、与时俱进的一类功能材料, 人们对物质磁性的认识源远流长。
磁性材料的进展大致上分几个历史阶段:当人类进入铁器时代, 除表征生产力的进步外,还意味着金属磁性材料的开端，直到18世纪金属镍、钻相继被提炼成功, 这一漫长的历史时期是3d 过渡族金属磁性材料生产与原始应用的阶段; 20世纪初期(1900-1932, FeSi、FeNi 、FeCoNi 磁性合金人工制备成功,并广泛地应用于电力工业、电机工业等行业, 成为3d 过渡族金属磁性材料的鼎盛时期, 从此以后, 电与磁开始了不解之缘; 20世纪后期, 从50年代开始, 3d 过渡族的磁性氧化物(铁氧体逐步进入生产旺期, 由于铁氧体具有高电阻率, 高频损耗低, 从而为当时兴起的无线电、雷达等工业的发展提供了所必需的磁性材料, 标志着磁性材料进入到铁氧体的历史阶段; 1967年, SmCo 合金问世, 这是磁性材料进入稀土—3d 过渡族化合物领域的历史性开端。
1983年,高磁能积的钕铁硼(Nd—FeB 稀土永磁材料研制成功。
现已誉为当代永磁王。
TbFe 巨磁致收缩材料与稀土磁光材料的问世更丰富了稀土一3d 过渡族化合物磁性材料的内涵。
1972年的非晶磁性材料与1988年的纳米微晶材料的呈现, 更添磁性材料新风采。
1988年, 磁电阻效应的发现揭开了自旋电子学的序幕。
因此从20世纪后期延续至今, 磁性材料进入了前所未有的兴旺发达时期, 并融入到信息行业, 成为信息时代重要的基础性材料之一。
磁性材料的分类磁性材料应用十分广泛, 品种繁多, 存在以下多种分类方式。
按物理性质分类:(1按静磁特性:即根据静态磁滞回线上的参量,如矫顽力、剩磁等来确定磁性材料的类型。
例如:永磁属高矫顽力一类磁性材料; 软磁属低矫顽力的一类磁性材料; 矩磁属高剩磁、低矫顽力的一类磁性材料; 磁记录介质属于中等矫顽力, 同时, 具有高剩磁的一类磁性材料, 而磁头却要求低矫顽力、高饱和磁化强度。
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。 此外关于稀磁半导 ， 现讨论稀磁半导体
体超晶格的研究也已经开始
［12 ］
超晶格中隧道磁电阻随势垒的个数和势垒强度的 稀磁半导体中的自旋极化 变化。最近的实验表明，
［3 ， 13 —17 ］ ， 其自旋相干长度超过 100 μm 因此将 输运，
2012 年 9 月 4 日收到 作者简介： 马 mail： majun@ live． com。 军。E-
［21 ］
。 而在各种磁隧道结中，
由稀磁半导体组成的磁隧道结成了理论和实验研 。 近来 有 报 导 指 出 在 温 度 为 8K 时，GaMnAs / AlAs / GaMnAs 隧道结中观察到的隧道磁电阻超过 70%
［7 ］
。 所以 GaMnAs 的能带可以
用图 1 来表示， 包括了自旋劈裂的轻空穴能带和重 分别为多数自旋重空穴 （ HH + ） 载流子能 空穴能带， 带、 少数自旋重空穴 （ HH － ） 载流子能带、 多数自旋 轻空 穴 （ LH + ） 载 流 子 能 带 和 少 数 自 旋 轻 空 穴 （ LH － ） 载流子能带。 本文的计算中将把轻空穴和 重空穴都考虑在内。
［22 ， 23 ］
图 3 所示。最左边和最右边是半无限大的 GaMnAs 中间 AlAs 和 GaMnAs 交替排列， 其中 AlAs 的厚度 GaMnAs 的厚度为 a。 图 2 和图 3 分别是指稀 为 b， 磁半导体的平行排列 （ P ） 构型和反平行排列 （ AP ） 构型， 其中的虚线框分别表示 P 构型和 AP 构型时 的最小周期结构。在图 2 中以最小周期的中点位坐 x2 、 x3 和 x4 分别为： － （ a + b ） / 标原点则， 图中的 x1 、 2、 － a /2、 a / 2 和 （ a + b ） / 2 ； 类似的在图 3 中的 x1 、 x2 、 x3 、 x4 、 x5 和 x6 分别为： － （ a + b ） 、 － （ a / 2 + b） 、 － a /2、 a /2 、 （ a / 2 + b ） 和（ a + b ） ， 从图 2 和图 3 中可以 看出如果反平行构型中有 n 个周期， 则平行构型中 有 2 n 个周期。所讨论的超晶格结构中所有的稀磁 半导体 （ GaMnAs ） 都 可 以 用 图 1 的 能 带 结 构 来 描 述。在相干隧穿模型中， 稀磁半导体超晶格的尺寸 可以认为在输运过程中自旋 要比自旋反转长度小， 是守恒的， 并忽略轻空穴向重空穴转变的过程。 因 此可以认为四种载流子的输运过程是彼此独立的 ， 并且在输运过程中要满足能量守恒和横向的动量
{
A1 e ik σx + B1 e －ik σx ， A2 e
H =
{
：
2
－
2 " + σΔ， 2 m1
2
Ⅰ、 Ⅲ 区域 （ 1）
2 － " + E F + U， Ⅱ 区域 2 m2
式（ 1 ） m1 是 GaMnAs 层中空穴的有效质量； m2 是 AlAs 层中空穴的有效质量； Δ 是自旋劈裂能的一半； U 是从费米能级算起的势垒高度。 自旋指标 σ 可 “+ ” ， “+ ” 以取 或者“ －” 和“ － ” 分别指多数自旋 载流子能带和少数载流子能带。假设有一个自旋 σ 的轻空穴载流子从超晶格的最左边入射 ， 则在上述 三个区域中的空穴波函数的纵向分量可以写为 ψ（ x） =
［20 ］
， 而类似于 GaMnAs 这类的稀磁半导体被认
为是用来制造自旋电子学器件的很有希望的材料 。 另外， 在磁隧道结（ MTJs） 中的隧道磁电阻 （ TMR ） 及 相关现象， 由于其对自旋电子学应用的重要性已经 被广泛研究了很多年 究的重点
［6 ］ ［4 ， 5 ］
。 当参入
Mn 离子后它提供了局域磁矩和更多的巡游空穴 ； 由于 Mn 离子的局域 d 轨道和介带的 p 轨道的杂化 导致的 GaMnAs 具有磁性和空 而来的交换互助用， 穴能带的自旋劈裂
自旋量子器件是当前凝聚态物理、 信息科学以 现在已 及新材料等诸多领域共同关注的热点之一 ， 经发展成为一个全新的领域自旋电子学 （ spintronic）
［1 —3 ］
用相干隧穿模型来讨论隧道磁电阻 ， 其在单势垒 和双势垒
［19 ］
［18 ］
问题中的讨论说明这种近似方法是可
行的。 GaMnAs 是由 GaAs 中参入 Mn 离子而形成 的， 大块的 GaAs 可以用 Luttinger 哈密顿量来描述， 相应的它有轻空穴能带和重空穴能带
第 13 卷 第 3 期 2013 年 1 月 1671 — 1815 （ 2013 ） 03-0554-05
科
学
技
术
与
工
程
Science Technology and Engineering
Vol. 13 No. 3 Jan． 2013 2013 Sci. Tech. Engrg.
物理学
稀磁半导体超晶格中的隧道磁电阻
图1
磁性半导体多载流子能带
3期
马
等： 稀磁半导体超晶格中的隧道磁型和公式
讨论的稀磁半导体超晶格的几何结构如图 2 和
守恒。 计算平行构型和反平行构型的电导， 将以轻空 如图 2 所 穴载流子为例来说明。 先考虑平行构型， 示的最小周期可以分为三个区域， 并用如下哈密顿 量来描述
。除了基于 GaMnAs 的单磁隧道结外， 基于
GaMnAs 的双磁隧道结也已经被制造和研究［8］。 有 由 多种近似方法被用来计算这一类的隧道磁电阻 ， 于此类磁隧道结中有两种载流子： 轻空穴 （ LHs ） 和 因此在计算隧道磁电阻时要同时考 重空穴（ HHs） ， 虑这两类载流子的贡献
［9 —11 ］
马 军
（ 中国药科大学理学院， 南京 210093 ）
摘
要
关于 GaMnAs / AlAs / GaMnAs 磁单结的隧道磁电阻有着广泛的研究， 利用转移矩阵的方法研究了稀磁半导体超晶格
并且共振峰会劈裂。 系统的隧道磁电阻随着势垒宽度的增减逐渐 中隧道磁电阻。数值模拟表明： 系统会发生共振隧穿， 减小。 关键词 稀磁半导体 隧道磁电阻 超晶格 A 自选电子学 中图法分类号 441. 6 ； 文献标志码