自旋电子学ch5-partI

Moodera, et. al. Phys. Rev. Lett. 74, 3273, (1995)
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讨论式学习以下内容：
1. 在1995年之前，磁隧道结研究的情况如何；为什 么只能得到较小的磁阻效应？
2. TMR值的计算公式；并由此推导TMR的极限值; 3. Moodera实验过程，以及基本结构是什么？采用 了那些材料；

0 0

(2) → (1) 电子
隧穿电流
Ef 2 4m 2 h 3 T Vr 2m dEx f 0 E r E x eV dEr N2 0 0


J e N1 N 2
近似结果： 隧穿电流 ≈ 指数衰减部分×状态函数部分

隧道效应无法用经典力学的观点来解释。因电子的能量 小于区域Ⅱ中的势能值U0，若电子进入Ⅱ区，就必然出 现“负动能”，这是不可能发生的。 但用量子力学的观点来看，电子具有波动性，其运动用 波函数描述，而波函数遵循薛定谔方程，从薛定谔方程 的解就可以知道电子在各个区域出现的概率密度，从而 能进一步得出电子穿过势垒的概率。该概率随着势垒宽 度的增加而指数衰减。因此，在宏观实验中，不容易观 察到该现象。
1993年，Miyazaki, NiFe/Al-Al2O3/Co 207%@room T 1995年，Moodera. Isulator: Al2O3; FM: CoFe, Co, NiFe, Fe. 11.8%@295K; 20%@77K; 24%@4.2K
MTJ基本结构
MTJ的测试
GMR
TMR
（a）
（b）
图1 扫描模式示意图 （a）恒电流模式；（b）恒高度模式 S 为针尖与样品间距，I、Vb 为隧道电流和偏置电压， Vz为控制针尖在 z 方向高度的反馈电压。

将针尖在样品表面扫描时运动的轨迹直接在荧光屏或 记录纸上显示出来，就得到了样品表面态密度的分布 或原子排列的图象。这种扫描方式可用于观察表面形 貌起伏较大的样品，且可通过加在 z 向驱动器上的电 压值推算表面起伏高度的数值，这是一种常用的扫描 模式。对于起伏不大的样品表面，可以控制针尖高度 守恒扫描，通过记录隧道电流的变化亦可得到表面态 度的分布。这种扫描方式的特点是扫描速度快，能够 减少噪音和热漂移对信号的影响。
4. Moodera得到的TMR值？改善的原因是什么？
5. 未知的问题还有哪些？

1975年，Julliere提出了FM/I/FM结构，认为可以通过 磁场来控制隧穿电流大小. 最早研究了Co/a-Ge/Fe TMR=14%@4.2K Co/a-Si/Fe Si厚度100A
随后 Ni/NiO/Co; Ni/Al2O3/Co TMR=(2-7)% @ 4.2K


Julliere公式
TMR的公式（用自旋极化率 表示） 第一个电极 p1 D1 D1 D1 D1
(1). 具有原子级高分辨率，STM 在平行于样品表面方向上的 分辨率分别可达0.1nm 和 0.01nm，即可以分辨出单个原 子．
(2)．可实时得到实空间中样品表面的三维图像，可用于具有 周期性或不具备周期性的表面结构的研究，这种可实时观 察的性能可用于表面扩散等动态过程的研究．
(3)可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是对体相 或整个表面的平均性质，因而可直接观察到表面缺陷。 表面重构、表面吸附体的形态和位置，以及由吸附体引 起的表面重构等．
其中，指数部分＝ F（势垒宽、高度，...）
状态部分＝ F（两个电极的性质,...）
几种隧穿现象
不同的“两电极性质”和“势垒、宽、高度” (近似!) 名称 1 隧道效应 2 隧道磁电阻效应 3 扫描隧道显微镜STM 4 自旋极化STM 5 ......... 势垒 绝缘体 绝缘体 真 空 真 空 电极 简单金属－I －简单金属 铁磁金属－I －铁磁金属 简单金属－V－待测样品 铁磁金属－V－待测样品
1999年中科院化学所的科技人员利用纳米加工技术在石墨 表面通过搬迁碳原子而绘制出的世界上最小的中国地图。
1.2 自旋极化的STM
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） 原理： 隧穿电流 I ∝ 指数衰减部分×状态密度部分
隧穿电流 的状态密度部分， 取决于两电极磁矩的相对取向。

隧穿效应
“M－I－M” 振荡波和衰减波
电子的穿透率
用 WBK 方法计算波函数
计算穿透率 T
自由电子情况
常数
x2 结果： T exp 2 h 2mV E dx exp 2 I x1
T 简化： 位垒 与坐标无关， exp 2 h 2mV0 E X 2 X 1
液体中观察原子图象 下图所示的是在电解液中得到的硫酸根离子吸附在 铜单晶(111)表面的STM图象。图中硫酸根离子吸附 状态的一级和二级结构清晰可见。
(5)．配合扫描隧道谱（STS）可以得到有 关表面电子结构的信息，例如表面不同层 次的态密度。表面电子阱、电荷密度波、 表面势垒的变化和能隙结构等.
STM的基本原理

扫描隧道显微镜（STM）的基本原理正是利用量子理论 中的隧道效应。将原子线度的极细探针和被研究物质的 表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近时 （通常小于1nm），在外加电场的作用下，电子会穿过 两个电极之间的势垒流向另一电极。这种现象即是隧道 效应。隧道电流 I 是电子波函数重叠的量度，与针尖和 样品之间距离 S 和平均功函数 Φ 有关：
上图为镶嵌了48个 Fe 原子的 Cu 表面的 扫描隧道显微镜照片。48 个 Fe 原子 形成“电子围栏”，围栏中的电子形成驻波

6．利用STM针尖，可实现对原子和分子的移 动和操纵，这为纳米科技的全面发展奠定了 基础．
1990年，IBM公司的科学家展示了一项令世人瞠目结舌 的成果，他们在金属镍表面用35个惰性气体氙原子组成 “IBM”三个英文字母。


（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(隧穿)。 （2）弱入射、强势垒 反之，E远低于 V0、 绝缘层较宽 。 那么，I → 很大；T→很小。电子受阻。
隧穿电流（Simmons 公式，1963）
计入 Fermi－Dirac 统计 Ef 2 2 3 4m h T Vr 2m dEx f 0 E r E x dEr (1) → (2) 电子 N1



上右图 FM电极的磁矩彼此“反平行”
I exp A U 0 D1 D2 D1 D2



Julliere公式
TMR 比率
TMR I I


I
分子 ＝ D1 D1 D2 D2



分母 ＝ D1 D2 D1 D2
性能：
TMR 曲线
Bias effect

改善的原因： 界面粗糙度； 更薄度效应和偏压效应

TMR实验结果 韩秀峰等
Julliere公式
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 U 0 D1 D2 D1 D2
M
I
M
按照经典理论，在E<U0情况下，电子被反射的 概率为1；而在E>U0情况下，粒子运动到x>0区 域去的概率也为1（反射率为0）。 按照量子力学的结论，对于能量稍大于U0的粒 子 束运动到势垒边缘时，其反射一般不为零，有电子 作反向运动。 对于能量低于势垒的粒子，其穿透势垒的透射率一 般不为零，它与势垒宽度a有关，也与势垒高度和 总能量差(U0－E )有关。这种在粒子总能量低于势 垒的情况下，粒子能穿过势壁甚至穿透一定宽度的 势垒而逃逸出来的现象称为隧道（穿）效应。
自旋极化的STM 工作原理
FM(CrO2)针/AFM（Cr）样 品磁化状态改变了隧穿电流。
为电流恒定，而调整真空空 隙。
不同自旋极化状态等效于 “附加的”空隙。
1.3 隧穿磁电阻 (TMR) 效应
TMR研究的奠基性文献
Jullière, Phys. Rev. Lett., 54A, 225 (1975) Miyazaki et.al: J. MMM, 139, L231, 1993.
自旋电子学 第四讲
自旋电子隧穿效应和磁性 隧道结

本讲内容重点：
1
隧穿现象 STM 和自旋极化的STM 隧道磁电阻（TMR）效应和Julliere公式
2
3
1.1 隧穿现象

在两块金属（或半导体、超导体）之间夹一层极薄的绝缘 层，构成一个称为“结”的元件。设电子开始处在左边的 金属中，可认为电子是自由的，在金属中的势能为零。由 于电子不易通过绝缘层，因此绝缘层就像一个势的壁垒， 我们将它称为势垒。
a是探针和样品表面之间的距离
STM的研制
1982 年 ， IBM 瑞 士 苏 黎 士 实 验 室 的 葛 · 尼 宾 （G．Binning）和海· 罗雷尔（H．Rohrer）研制 出 世 界 上 第 一 台 扫 描 隧 道 显 微 镜 （ Scanning Tunnelling Micro－scoPe，简称STM）．STM使 人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的 排列状态和与表面电子行为有关的物化性质，在表 面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着 重大的意义和广泛的应用前景，被国际科学界公认 为20世纪80年代世界十大科技成就之一．为表彰 STM的发明者们对科学研究所作出的杰出贡献， 1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖金．
1.2 STM简介