自旋电子学讲座2

沉积 Cu
热氧化硅片
Two
加工 顶电极
X. F. Han et al. , Appl. Phys. Lett. 77 (2000) 283-285.
80
( a ) T = 300 K MR = 50 % 2 RS = 3998 Ωμm S = 8 x 8 μm VDC = 1 mV t = 40 s o Annealed at 300 C
运用复合界面畴壁模型 计算的NiFe(40nm)/FeMn (4nm)的磁滞回线。红点 代表实验数据点，实线 代表计算曲线。
1.0 0.5 M/Ms 0.0
-0.5 -1.0 -30 -20 -10 0 10 20 30
Z
H(Oe)
α0
α β γ
tAF
ξ
δFM
tFM
X
界面复合畴壁模型的四 个特征角度α0，α， β，γ。反铁磁体的单 轴各向异性沿Z轴方向。 设外加反向磁场沿Z轴负 向。这里仅标出一个晶 格的反铁磁自旋。
铁磁层1和2厚度不同（或材料不同）
导致两层的翻转场（开关场）不同； 在低磁场下，反转场低的铁磁层先反 转了，而反转场高的铁磁层还未转，从 而造成相邻磁层的反平行排列，两磁层 反铁磁耦合。 高磁场下，两层磁矩都饱和在磁场方 向，两铁磁层铁磁耦合。产生巨磁电阻 FM1称为自由层。FM2的磁化方向被 相邻反铁磁层AF的交换耦合钉扎，不易 转动。 当FM1为优质软磁时，它的Ms可在很 弱的磁场作用下相对于FM2改变方向，产 生巨磁电阻
(c) FIB; (d) Chemical reactive etching system
磁控溅射 生长薄膜
加工 底电极
加工 结区
沉积 SiO2
磁控溅射生长薄膜 加工底电极 去胶 沉积 沉积 lift-off SiO Cu 2 加工顶电极 加工结区
Ar离子刻蚀 去胶 甩胶 Cu SiO 2 光刻胶 FM Barrier FM 去胶 lift-off
1995年，美国和日本的两位科学家J. S. Moodera和T. Miyazaki分别独立地在铁磁性隧道结(MTJ)中观察到室温下的 隧穿磁电阻效应(TMR)
T. Miyazaki et al., JMMM 139(1995)L231
MTJ 发展
Two
Ta (5)
Cu (20) Py (5) Co75Fe25 (4)


传感磁场, 特别是对微弱磁场的传感，如可用于伪钞识别 器，弱磁场传感器等。 更广泛的应用是各类运动传感器，如对位置、速度、加速 度、角度、转速等的传感，在机电自动控制、汽车工业和 航天工业等方面有广泛的应用。 各种无接触磁控电位器等元件在电子学中可获应用。 自旋生物传感器

GMR传感器一个比较典型的应用实例是在汽车的ABS （防抱死刹车）系统中，用来精确测量并控制汽车在刹车 过程中的运动速度，防止车轮从高速转动状态因突然停止 下来而造成失控。
M
H
Easy axis
H
(a)
(b)
经过磁场冷却，Fe/F2双层膜在10K的磁滞回 线。
将铁磁-反铁磁材料在稳定磁场作用下从某一高于反铁磁 体的奈尔温度TN 又低于铁磁体的居里温度TC 的温度冷却到 奈尔温度以下，材料的磁滞回线将会沿着X 轴偏移到冷却 场的相反方向，这个磁滞回线的偏移就叫做交换偏置(HE)， 同时伴随着矫顽力HC 的增大。这些现象在反铁磁的奈尔点 或者接近奈尔点时就消失了。由此可见是反铁磁体的出现 导致了这种交换偏置。 在1956 年Meikleijohn 和Bean 在研究外面包裹着反铁磁氧 化物（CoO）的Co 颗粒时就发现了这种交换各向异性。后 来又在其它包含了铁磁和反铁磁界面的各种不同系统中发 现，比如：小颗粒系统、不均匀材料、长在反铁磁单晶上 的铁磁薄膜以及薄膜系统中。 在巨磁电阻器件的实用化过程中,铁磁(FM)/反铁磁(AF)双 层膜的交换偏置效应起到了重要的作用。
氧化物的庞磁电阻效应(CMR)

具有钙钛矿结构的La-Mn-O系列 在一定的温度范围磁场使其从顺磁性或反铁磁性变为铁 磁性，且在其磁性发生转变的同时氧化物从半导体的导 电特性转变为金属性，从而使其电阻率发生巨大的变 化，有时甚至高达数个数量级。Nd0.65Ca0.35Mห้องสมุดไป่ตู้O3在30K 以下温度，50kOe的外磁场下，MR达到约106% 转变温度在低温，外加磁场需要几十kOe,为其获得应用 的主要问题。
快速发展的GMR应用

1994年，GMR传感器进入市场。 1997年, IBM宣布生产GMR读出头，此后，不断提高硬盘 存储密度。 下一个高技术、高经济效益的产品可能是GMR或 TMR随 机存储器(magnetic random access memory, MRAM)。其存 储密度可与当前计算机使用的DRAM 比拟，存取速度可与 SRAM比拟，但停电不丢失数据。 现在的MRAM的存储密度已达到： IBM公司：16Mbit MRAM的密度？
MR(%)
10 8 6 4 2 0 100 150 200 250 300
30 20 10
M(emu/g)
Tc=303K
350
400
0 450
T(K)
巨磁电阻的应用


巨磁电阻之所以在全世界受到持久的重视，是 和它重要的应用分不开的。 在GMR出现之前，数值不大的AMR已得到应 用。因此GMR一经发现，人们立即意识到会发 展出比AMR器件更为灵敏的GMR器件。 GMR的基础研究及应用和开发研究几乎是齐头 并进的。GMR的研究不仅在学术界，而且在工 业界均受到重视，这是多层膜GMR研究之以发 展迅速，并成为基础研究快速转化为实际应用 的国际典范的原因。

传感器的发展
1970年以来,市场上的磁电阻传感器有半导体及磁性合金两种. ★半导体磁电阻传感器: InSb-NiSb 准共晶化合物, MR ~200% at H= 3000 Oe. 灵敏度: S=.067%/Oe. 优点:大的磁电阻比值及线度较好; 缺点:所需磁场较高,灵敏度不高,温度稳定性不够好 ★磁性AMR传感器, NiFe or NiCo 薄膜. MR~3-5%. 饱和场较 低, e.g. Hs~10 Oe. 灵敏度:S~0.3-0.5%. 优点:饱和场低,低场灵敏度高,温度系数小,稳定性好,价廉等; 缺点:磁电阻比值不高. 1994年，GMR(SV)传感器进入市场,灵敏度更高。 GMR传感器产生的信号比一般的AMR传感器大3-20倍，而且 线性度和温度稳定性都不逊于AMR传感器。
镜面 自旋阀 MR ~ 15% Hf ~5Oe Hex ~ 400Oe Hc1 ~4Oe
普通自旋阀 MR ~8 % Hf ~ 20Oe Hex ~350Oe Hc1 ~3Oe
模型：NOL 由不连续NOL 片断 和 FM 和AFM之间的“桥”组成
-----片断的长度 >
MFP
自由层—CoFe 非磁层—Cu 钉扎层—IrMn
2
60
TMR ( % )
40
Typical TMR vs H curves with a dc bias voltage of 1 mV measured at RT and 4.2 K.
20
0
80
( b ) T = 4.2 K MR = 69.1 % 2 RS = 4481 Ωμm
60
TMR ( % )
40
20
0 -4000
-2000
0
2000
4000
H (Oe)
磁性/氧化物隧道结的TMR

自旋相关的隧穿效应
使用磁性半金属的MTJ
颗粒合金膜的巨磁电阻
颗粒膜---微颗粒镶嵌于薄膜中所构成的复合材料体系。 颗粒的组成和薄膜的组成在制备态下应互不固溶----有别 于合金，化合物等。 和磁性多层膜类似，属于二相或多相非均匀体系，虽然对 物理问题的理论处理逊色于多层膜，但是工艺制备却更简 便，深受实际应用青睐。 研究主要集中在两大材料体系：①银系，如Co-Ag，FeAg，FeNi-Ag，FeCo-Ag等；②铜系，Co-Cu，Fe-Cu，等。 在4.2K，Co-Ag系统的GMR可达40%左 右。 因饱和场较高，尚未获得重要应用。
钉扎层 CoFe
NOL 片断
FM 桥 实验方法: 截面 HRTEM
(With Shen.F; Zhang.Z; Wang. Y.G; Lu.Z.Q)
AFM/FM 界面相互作用~ 交换各向异性
在AFM/FM双层薄膜间的界面交换作用导致铁磁层磁滞回 线的偏移，称为交换偏置效应。 由于磁滞回线相对0场轴线不对称，也称为单向各向异性

¾ ¾ ¾ ¾
导致反铁磁耦合的方法除了磁性多层结构外，目 前还有4种结构：
磁性自旋阀的巨磁电阻（GMR） 磁性隧道结的隧穿磁电阻（TMR） 磁性颗粒膜的巨磁电阻（GMR） 钙钛矿Mn氧化物结构的超大磁电阻（CMR）
应用巨磁电阻效应的关键指标之一是： 高的磁场传感灵敏度


Co/Cu多层膜室温下GMR第一峰值可达60-80%， 但饱和场高达1Tesla，其磁场传感灵敏度S=MR/Hs 并不高，低于0.01%/Oe，远小于AMR的玻莫合金 低场下的灵敏度。 玻莫合金的饱和MR~3%，饱和场Hs~10Oe，S可达 0.3%/Oe。 使GMR材料的Hs降低的常用方法是增加NM（如 Cu)层厚度，使层间耦合减弱至零。
自旋阀的巨磁电阻， 无耦合三明治结构

典型的非耦合型自旋阀的结构为FM1/N/FM2或 FM1/N/FM2/AF 电流平行膜面，CIP. 非铁磁层NM厚度达2 nm以上，因而铁磁层间交换 耦合很弱。(Cu厚2.3 nm时，耦合≈0.) 两铁磁层通过不同的矫顽力Hc来控制在不同的磁场 下磁矩反转。 在较低的磁场下，FM1和FM2呈现反铁磁耦合，在 高磁场下， FM1和FM2呈现铁磁性耦合，从而获得 较大的GMR和高灵敏度。