铁磁_半导体_铁磁隧道结中的隧穿磁电阻

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【国家自然科学基金】_铁磁半导体_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140802

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序号科研热词推荐指数序号科研热词1超顺磁性21稀磁半导体2结构22铁磁耦合机制3纳米金属颗粒膜23铁磁性4离子注入24边界条件5高温氨化15蒙特卡罗模拟6顺磁性16自旋相关的电导7非极性a面p-gan17自旋注入8隧穿系数18缺陷9铁磁性19第一性原理10铁磁/半导体/铁磁异质结110磁性11透射光谱111电流的自旋极化12输运特性112水热法13自旋阀113一维量子波导14自旋轨道耦合效应114zno1-xcx15自旋波衰减115zn_(0.95-x)co_(0.05)li_xo16自旋波116zn1-xnixo17自旋极化输运117rashba电子波函数18红外光谱119稀磁半导体120磁电阻效应121磁性122磁化率123直接跃迁124电导125电子技术126溶胶-凝胶127渡越时间128水热法129氮化镓130散粒噪声131掺镍氧化锌半导体132推迟模133巨磁电阻效应134居里温度135小极化子136室温铁磁性137复合颗粒膜138光致发光139侧向超晶格140交换偏置141δ势垒142si基稀磁半导体143rashba自旋轨道耦合效应144nd0.67pb0.33mno3薄膜145fe3o4磁性半金属146fe-znse12008年2009年

磁隧道结的研究进展

磁隧道结的研究进展

・ 32 ・ 材料导报 2007年3月第21卷第3期 

磁隧道结的研究进展 

金克新 ,陈长乐 ,赵省贵 ,罗炳成 ,袁孝。,宋宙模 

(1 西北工业大学理学院应用物理系,西安710072;2西安科技大学,西安710049; 

3华中科技大学激光技术国家重点实验室,武汉430074) 

摘要 从隧道结两种通用的基本理论出发,从材料选取的角度详细介绍了磁性隧道结不同的中间层和铁磁层 材料的研究成果,揭示了材料选取对隧道结磁电阻的重要影响,并对其发展和应用前景进行了展望。 

关键词 隧道结磁电阻材料选取 中图分类号:TM27 文献标识码:A - 

Review of Magnetic Tunneling Junction 

JIN Kexin ,CHEN Changle ,ZHAO Shenggui ,LUO Bingcheng , 

YUAN Xiao。,SONG Zhoumo 

(1 Department of Applied Physics,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072; 2 School Science of Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710049; 

3 State Key Lab of Laser Technology,Huazhong University of Sience and Technology,Wuhan 430074) 

Abstract Tunneling junctions are becoming one of the popuiar research fields in materials and physics due to 

the potential applications。In this paper,based on the theory of the tunneling junctions,the recent research results of the barrier and ferromagnetic layer are introduced and the influence of the selection of materials on the magnetic tunneling 

自旋电子学与自旋电子器件简述

自旋电子学与自旋电子器件简述

自旋电子学与自旋电子器件简述

陈闽江,邱彩玉,孙连峰

(国家纳米科学中心 器件研究室 北京 )

一、引言

2007年10月,瑞典皇家科学院宣布,将该年度诺贝尔物理学奖授予在1988年分别独立发现纳米多层膜中巨磁电阻效应的法国Albert Fert教授和德国Peter Grunberg教授。其随后的应用不啻为革命性的,因为它使得计算机硬盘的容量从几十兆、几百兆,一跃而提高了几百倍,达到几十G乃至上百G。越来越多的人开始了解这个工作及其对我们生活的影响,并意识到这个工作方向的重要意义。

1988年在磁性多层膜中发现巨磁电阻效应(Giant Magnetoresistance,GMR),1993年和1994年在钙钛矿锰氧化物中发现庞磁电阻效应(Colossal

Magnetoresistance,CMR),特别是1995年在铁磁性隧道结材料中发现了室温高隧穿磁电阻效应(Tunneling Magnetoresistance,TMR)以及后续形成的稀磁半导体等研究热潮,这些具有里程碑意义的人工合成磁性材料的成功制备和深入研究,不仅迅速推动了近20年凝聚态物理新兴学科——自旋电子学(spintronics)的形成与快速发展,也极大地促进了与自旋极化电子输运相关的磁电阻材料和新型自旋电子学器件的研制和应用。中国科学院物理研究所朱涛研究员表示:“Albert Fert和Peter Grunberg种下了一粒种子,随着20世纪90年代应用的突破,这粒种子长成了一棵小苗——自旋电子学,这是一个成长很快、前景广阔的磁学分支。”

二、电子自旋与自旋电子学

要阐明自旋电子学,就不得不先简述一下电子自旋这一概念。电子自旋不是电子的机械自转,电子自旋及磁矩是电子本身的内禀属性,所以也被称为内禀角动量和内禀磁矩。它们的存在标志电子还有一个新的内禀自由度。所以电子状态的完全描述不但包括空间三个自由度的坐标(r),还必须考虑其自旋状态。更确切地说,要考虑自旋在某给定方向(例如z轴方向)的投影的两个可能取值的波幅,即波函数中还应该包含自旋投影这个变量(习惯上取为ZS),从而记为(,)Zrs。与连续变量r不同,ZS只能取2两个离散值。

量子隧道效应

量子隧道效应

简介

由微观粒子波动性所确信的量子效应。又称势垒贯穿[1] 。考虑粒子运动碰到一个高于粒子能量的势垒,依照经典力学,粒子是不可能越过势垒的;依照量子力学能够解出除在势垒处的反射外,还有透过势垒的,这说明在势垒的另一边,粒子具有必然的概率,粒子贯穿势垒。理论计算说明,关于能量为几电子伏的电子,方势垒的能量也是几电子伏 ,当势垒宽度为1埃时 , 粒子的透射概率达零点几 ;而当势垒宽度为10时,粒子透射概率减小到10-10 ,已微乎其微。可见隧道效应是一种的量子效应,关于宏观现象,事实上不可能发生。

隧道效应

在势垒一边平动的粒子,当动能小于势垒高度时,按经典力学,粒子是不可能穿过势垒的。关于微观,量子力学却证明它仍有必然的概率穿过势垒,实际也正是如此,这种现象称为隧道效应。关于谐振子,按经典力学,由核间距所决定的位能决不可能超过总能量。却证明这种核间距仍有必然的概率存在,此现象也是一种隧道效应。

隧道效应是明白得许多的基础。

隧道效应

概述

在两层导体之间夹一薄绝缘层,就组成一个电子的隧道结。实验发觉电子能够通过隧道结,即电子能够穿过绝缘层,这即是隧道效应。使电子从金属中逸出需要逸出功,这说明金属中电子势能比空气或绝缘层中低.于是电子隧道结对电子的作用可用一个势垒来表示,为了简化运算,把势垒简化成一个一维方势垒。 所谓效应,是指在两片金属间夹有极薄的绝缘层(厚度大约为1nm(10-6mm),如氧化薄膜),当两头施加势能形成势垒V时,导体中有动能E的部份微粒子在E<V的条件下,能够从绝缘层一侧通过势垒V而达到另一侧的物理现象。

产生隧道效应的缘故是电子的波动性。依照,在低速情形下,具有()E的电子的波长

h

隧道效应

λ=-----------------

√2mE

(其中,h——;m——电子质量;E——的动能),在势垒V前:假设E>V,它进入势垒V区时,将波长改变成

自旋电子学与自旋电子器件简述知识分享

自旋电子学与自旋电子器件简述知识分享

自旋电子学与自旋电子器件简述

陈闽江,邱彩玉,孙连峰

(国家纳米科学中心 器件研究室 北京 100190)

一、引言

2007年10月,瑞典皇家科学院宣布,将该年度诺贝尔物理学奖授予在1988年分别独立发现纳米多层膜中巨磁电阻效应的法国Albert Fert教授和德国Peter Grunberg教授。其随后的应用不啻为革命性的,因为它使得计算机硬盘的容量从几十兆、几百兆,一跃而提高了几百倍,达到几十G乃至上百G。越来越多的人开始了解这个工作及其对我们生活的影响,并意识到这个工作方向的重要意义。

1988年在磁性多层膜中发现巨磁电阻效应(Giant Magnetoresistance,GMR),1993年和1994年在钙钛矿锰氧化物中发现庞磁电阻效应(Colossal

Magnetoresistance,CMR),特别是1995年在铁磁性隧道结材料中发现了室温高隧穿磁电阻效应(Tunneling Magnetoresistance,TMR)以及后续形成的稀磁半导体等研究热潮,这些具有里程碑意义的人工合成磁性材料的成功制备和深入研究,不仅迅速推动了近20年凝聚态物理新兴学科——自旋电子学(spintronics)的形成与快速发展,也极大地促进了与自旋极化电子输运相关的磁电阻材料和新型自旋电子学器件的研制和应用。中国科学院物理研究所朱涛研究员表示:“Albert Fert和Peter Grunberg种下了一粒种子,随着20世纪90年代应用的突破,这粒种子长成了一棵小苗——自旋电子学,这是一个成长很快、前景广阔的磁学分支。”

二、电子自旋与自旋电子学

要阐明自旋电子学,就不得不先简述一下电子自旋这一概念。电子自旋不是电子的机械自转,电子自旋及磁矩是电子本身的内禀属性,所以也被称为内禀角动量和内禀磁矩。它们的存在标志电子还有一个新的内禀自由度。所以电子状态的完全描述不但包括空间三个自由度的坐标(r),还必须考虑其自旋状态。更确切地说,要考虑自旋在某给定方向(例如z轴方向)的投影的两个可能取值的波幅,即波函数中还应该包含自旋投影这个变量(习惯上取为ZS),从而记为(,)Zrs。与连续变量r不同,ZS只能取2h两个离散值。

自旋电子学的综述

自旋电子学的综述

——自旋电子学及其在半导体中的应用

第 1 页 共 10 页 自旋电子学及其在半导体中的应用

摘要:自旋电子学主要研究电子自旋在固体物理中的作用,是一门结合磁学与微电子学的新兴交叉学科。其研究对象包括电子的自旋极化、自旋相关散射、自旋弛豫以及与此相关的性质及其应用等。本文简单介绍了自旋电子学的概念及其内容综述了自旋电子学目前的研究,尤其是半导体自旋电子学,集中讨论了使电子的自旋特性在半导体中获得应用,在半导体器件中实现自旋极化、注入、传送、操作和检测,最后对自旋电子器件的应用进行了展望。

关键词: 自旋电子学 自旋阀 磁隧道结 半导体自旋电子学

一.名词解释

1.自旋电子学[1](spintronics)

也称为磁电子学,是一门磁学和微电子学相交叉的新兴的学科,它研究具有某一自旋状态(自旋向上或自旋向下)的电子的输运特性,是当前凝聚态物理的热点领域之一。众所周知,电子除了带有电荷的特性外,还具有自旋的内禀特性,对于普通金属和半导体,自旋向上和自旋向下的电子在数量上是一样的,所以传统的金属电子论往往忽略电子的自旋自由度。

2.半导体自旋电子学[2]

电子同时具有电荷和自旋两种属性,电子的电荷属性在半导体材料中获得极大的应用,推动了电子技术、计算机技术和信息技术的发展。使电子的自旋特性在半导体中获得应用,在半导体器件中实现自旋极化、注入、传送、操作和检测,成为人们最关注的问题。最初人们企图用铁磁金属与半导体材料直接欧姆接触,把极化自旋流注入到半导体材料中去,但是由于肖特基势垒太高,注入效率极低。为了克服肖特基势垒,只有两个办法:寻找磁性半导体材料或利用隧道效应。

二.自旋电子学的起源

1857年Thomson发现了在多晶结构的Fe中,具有各向异性磁电阻效应[3](anisotropy magnetore.sistance,AMR),而传统的微电子学的研究对象是普通金属和半导体,所以在研究电子的输运过程中,往往忽略电子的自旋。20世纪50年代人们在研究超导体时,将电子的自旋引入,认为参与超导输运的准粒——自旋电子学及其在半导体中的应用

巨磁电阻效应理论解释

巨磁电阻效应的理论解释知识

巨磁电阻效应的理论解释知识巨磁电阻效应的理论解释作为自旋电子器件的基本材料,纳米磁性多层膜及其三层膜结构得到了广泛的研究和应用。最先在“/铁磁层/非磁金属层/铁磁层”交替沉积而成的磁性多层膜系统中发现了GMR效应(巨磁电阻效应),随后在由磁性薄膜和绝缘层薄膜构成的磁隧道结(MTJ)中发现了自旋电子隧穿效应,以及自旋晶体管中存在的自旋热电子输运效应。“/铁磁层/非磁金属层/铁磁层”层状结构薄膜是实现自旋电子效应的基本结构。随着MRAM等自旋电子器件存储密度的增加,在降低器件尺寸的同时需要进一步提高自旋电子效应。因此理解自旋电子在纳米磁性层状薄膜中的输运机理是理解自旋电子效应的关键,也是进一步提高自旋电子效应、优化自旋电子器件应用性能的基础。对于普通金属,电子的自旋是简并的,费米面附近的电子态对于自旋向上和自旋向下当然也是完全一样的,因而输运过程中电子传导是自旋非极化的。对于铁磁过渡金属来说,交换作用能与动能的平衡使系统不同自旋的子带发生交换劈裂,自旋向上的子带与自旋向下的子带发生相对位移,引起自发磁化,这样一来系统的动能虽然增加了,但由于其电子在费米面附近具有非常大的态密度,动能的增加不大,而交换作用能却大大减小,因而系统的总能量有所下降。交换劈裂使自旋向上的子带多数自旋载流子全部或绝大部分被电子占据,而自旋向下的子带少数自旋载流子仅部分被电子占据。图为Ni和Co等强铁磁过渡金属的能带劈裂交换模型示意图,多数和少数自旋的4s能带是对称的,而多数自旋的3d能带处于费米面以下,因而在足够低的温度下被完全填充满,两子带的占据电子总数之差正比于它的磁矩。今天利用第一原理电子结构计算方法可以准确地计算出各种铁磁过渡金属和合金的能带结构和磁矩。电子的散射是一切输运过程的一个根本环节。对于普通非磁金属,电子的散射主要是自旋简并的s电子之间的散射,电子的平均自由程较大,由Drude定理σ=ne2τ/m可以非常容易地估计出金属良导体的平均自由程为10nm左右。1936年Mott在铁磁金属能级交换劈裂理论的基础上提出了铁磁性金属导电的理论,即所谓的“二流体”模型。根据二流体模型,铁磁金属铁、钴和镍以及他们的合金不同于普通金属的s电子散射,由于在费米面处同时存在s电子和态密度很大的电子,在输运过程中,传导电子要经受比s电子散射强烈得多的s-d散射,因而这里传导电子的平均自由程要小得多。当电子的自旋与铁磁金属自旋向上的3d子带平行时,受到的s-d散射小,其平均自由程长,相应的电阻率低,而当电子的自旋与铁磁金属自旋向下的3d子带平行时,受到的s一d散射大,其平均自由程短,相应的电阻率高。这种因导电电子自旋方向不同而受到不对称散射的现象称为电子的自旋相关散射。根据这个模型,可以将导电分解为自旋向上和自旋向下的两个几乎相互独立的导电通道的相互并联。各自的电阻率分别为ρ↑及ρ↓。在低温极限下,总电阻率为:ρ=ρ↑ρ↓/(ρ↑+ρ↓)。对普通非磁性金属的ρ↑=ρ↓,ρ=ρ↑/2+ρ↓/2,没有自旋相关散射,不需要二流体模型。在居里温度Tc以下,铁磁金属中存在自旋相关散射,使ρ↑≠ρ↓,其自旋向上定义为与总磁化强度平行,为多数带电子,↓定义为与总磁化方向反平行,指少数带电子,ρ↑及ρ↓为自旋相关电阻率。其中电阻率低的通道起着短路作用,使总电阻ρ在Tc以下时降低。磁性多层膜和三层巨磁电阻效应的理论解释知识

磁性隧道结中自旋相关的隧穿输运

米仪琳等:磁性隧道结中自旋相关的隧穿输运 1095 

磁性隧道结中自旋相关的隧穿输运 

米仪琳 ,一,张铭 ,严辉 

(1.北京工业大学材料科学与工程学院,北京100022;2.北方工业大学理学院,北京100041) 

摘要: 全面回顾和总结了磁性隧道结中自旋相关的 

隧穿这一研究领域的理论和实验方面的最新研究进展。 

讨论了影响磁性隧道结的自旋极化和隧穿磁电阻的各 

种因素及反映铁磁层和铁磁/绝缘层界面电子结构在隧 

穿中重要作用的理论模型和近期实验,同时也讨论了绝 

缘势垒和铁磁/绝缘层界面中的无序性在隧穿过程中对 

自旋极化与磁电阻效应的影响。 

关键词: 磁性隧道结;自旋极化;隧穿磁电阻 

中图分类号:0482 文献标识码:A 

文章编号: 1001—9731(2007)增刊一1095—05 

1 引 言 

随着信息科学的迅猛发展,信息量的急剧增大,人 

们对信息存储的要求也越来越高。自从1988年巨磁电阻 

效应(GMR)发现以来,计算机信息存储技术进入了 

GMR时代,例如,计算机硬盘在使用GMR读出磁头以 

后,其记录密度从60Mbits/in 发展到100Gbits/in ,提高 

近1500倍。而每Mbits的成本则从l0美元下降到了0.08 

美元。 

早在二十世纪70年代初,Tedrow和Meservey利用 

“超导体月E磁绝缘体/铁磁金属”隧道结验证了隧穿电 

流是自旋极化的【l J。1975年,Julliere[2]首次在Fe/Ge/Fe 

磁性隧道结中发现隧穿电导与两个铁磁金属中磁化强 

度的相对方向有关,当两铁磁层磁化强度平行时,输运 

过程中一个铁磁层中多数自旋子带的电子将进入另一 

个铁磁层中的多数自旋子带的空态,Fermi面附近可填 

充的态数目达到最大匹配程度,使隧穿电流最大,隧穿 

磁性电阻(TMR)最小;而当两铁磁层磁化强度反平行 

时,输运过程中一个铁磁层中多数自旋子带的电子将进 

入另一个铁磁层中的少数自旋子带的空态,由于态密度 

隧穿磁阻效应 巨磁阻效应

隧穿磁阻效应 巨磁阻效应

磁阻效应是材料在磁场中发生电阻变化的现象。在这一领域中,隧穿磁阻效应和巨磁阻效应是两个重要的研究方向。

隧穿磁阻效应(TMR)是指在磁隧道结中,磁绝缘体层的磁化强度改变导致电阻发生变化。这种效应的原理是,磁绝缘体层的磁化强度变化会影响到电子的隧穿概率,从而改变电阻。隧穿磁阻效应具有较高的磁灵敏度,但其响应速度受到限制,因此在实际应用中有一定的局限性。

与隧穿磁阻效应相比,巨磁阻效应(GMR)的特点是在磁场强度变化较小的范围内,电阻值发生较大变化。巨磁阻效应的原理是,磁性材料层的磁化强度改变导致电子有效质量发生变化,从而影响电阻。由于巨磁阻效应具有较快的响应速度,因此在磁传感器、磁随机存储器等领域得到了广泛应用。

在实际应用中,隧穿磁阻效应和巨磁阻效应各自具有优势。隧穿磁阻效应适用于高灵敏度磁传感器和磁随机存储器等领域,而巨磁阻效应则适用于磁随机存储器、磁头读写器等快速响应设备。此外,两种磁阻效应还可以相互结合,实现更高性能的磁电子器件。

我国在磁阻效应研究方面取得了显著成果。科研人员不仅在理论研究方面取得了突破,还成功应用于实际工程。例如,我国已经成功研发了基于隧穿磁阻效应的磁随机存储器,为磁电子产业的发展奠定了基础。此外,我国在巨磁阻效应器件的研发方面也取得了重要进展,为磁传感器、磁头读写器等领域提供了技术支持。

总之,隧穿磁阻效应和巨磁阻效应在磁电子领域具有广泛的应用前景。

磁电阻效应实验报告

一、实验目的

1. 理解磁电阻效应的基本原理和现象。

2. 掌握磁电阻效应实验的基本操作和数据处理方法。

3. 分析磁电阻效应在不同材料中的表现,了解其应用前景。

二、实验原理

磁电阻效应是指当金属或半导体材料受到磁场作用时,其电阻值发生变化的现象。根据磁电阻效应的原理,本实验主要分为以下三个部分:

1. 磁阻效应:当磁场垂直于电流方向时,电阻值随磁场强度的增加而增加。

2. 巨磁电阻效应(GMR):在多层膜结构中,由于电子的隧穿效应,当相邻两层膜的磁化方向相反时,电阻值显著降低。

3. 隧道磁电阻效应(TMR):在隧道结中,当电子隧穿穿过绝缘层时,电阻值随磁场强度的变化而变化。

三、实验仪器与材料

1. 实验仪器:磁电阻效应实验仪、磁场发生器、电流表、电压表、信号发生器、示波器、计算机等。

2. 实验材料:磁阻材料、多层膜材料、隧道结材料等。

四、实验步骤

1. 磁阻效应实验:

(1)将磁阻材料放置在磁场发生器中,调整磁场强度;

(2)使用电流表和电压表测量电阻值;

(3)记录不同磁场强度下的电阻值;

(4)分析磁阻效应。

2. 巨磁电阻效应(GMR)实验:

(1)将多层膜材料放置在磁场发生器中,调整磁场强度;

(2)使用电流表和电压表测量电阻值; (3)记录不同磁场强度下的电阻值;

(4)分析巨磁电阻效应。

3. 隧道磁电阻效应(TMR)实验:

(1)将隧道结材料放置在磁场发生器中,调整磁场强度;

(2)使用电流表和电压表测量电阻值;

(3)记录不同磁场强度下的电阻值;

(4)分析隧道磁电阻效应。

五、实验数据与结果

1. 磁阻效应实验数据:

磁场强度(T) 电阻值(Ω)

0.1 100

0.2 150

0.3 200

0.4 250

0.5 300

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