材料物理2010第3章10-6-巨磁阻效應(yīng)和磁電子學(xué)

1、材料物理 上海大學(xué)10.6 10.6 巨磁電阻效應(yīng)和磁電子學(xué)巨磁電阻效應(yīng)和磁電子學(xué)磁電阻：材料的電阻磁電阻：材料的電阻R隨外磁場(chǎng)隨外磁場(chǎng)H發(fā)生變化的現(xiàn)象發(fā)生變化的現(xiàn)象磁電阻發(fā)展歷史：磁電阻發(fā)展歷史：Bvqf正常磁電阻正常磁電阻(OMR)普遍存在與所有的金屬和半導(dǎo)體中，普遍存在與所有的金屬和半導(dǎo)體中，源于磁場(chǎng)對(duì)電子的洛侖茲力；源于磁場(chǎng)對(duì)電子的洛侖茲力；R/R(0)0，且各向異性，且各向異性/ 0 ，低磁場(chǎng)下，低磁場(chǎng)下R/R(0)很小，無(wú)飽和。很小，無(wú)飽和。 20世紀(jì)世紀(jì)70年代，年代，OMR和和AMR均用于傳感器均用于傳感器)0()0()0()(RRRRHR 90年代，年代，AMR開(kāi)始用于硬磁盤(pán)

2、讀出頭開(kāi)始用于硬磁盤(pán)讀出頭1857年，凱爾文首先發(fā)現(xiàn)了鐵的磁電阻，稱為各向異性磁電阻年，凱爾文首先發(fā)現(xiàn)了鐵的磁電阻，稱為各向異性磁電阻 AMR，源于磁疇中電阻率的各向異性；，源于磁疇中電阻率的各向異性；沿磁場(chǎng)方向磁電阻比沿磁場(chǎng)方向磁電阻比R/R(0)0，而垂直于磁場(chǎng)方向，而垂直于磁場(chǎng)方向 N (EF)，則，則 的傳導(dǎo)電子受到散射大，的傳導(dǎo)電子受到散射大， 。當(dāng)相鄰鐵磁層的當(dāng)相鄰鐵磁層的MS反平行時(shí)反平行時(shí): 和和 的傳導(dǎo)電子的傳導(dǎo)電子在在Ms與其自旋平行的鐵磁層界面受到與其自旋平行的鐵磁層界面受到小的散射小的散射; 在在MS與其自旋反平行的與其自旋反平行的FM/NM界面受界面受到較大的散射，總

3、電阻較高；到較大的散射，總電阻較高；當(dāng)兩鐵磁層的當(dāng)兩鐵磁層的MS平行時(shí)，只通過(guò)自旋平行時(shí)，只通過(guò)自旋與與MS平行的電子，呈低電阻態(tài)。平行的電子，呈低電阻態(tài)。材料物理 上海大學(xué)定性解釋巨磁電阻效應(yīng)：定性解釋巨磁電阻效應(yīng)：（A）按量子力學(xué)，電子分為兩類，一類自旋平行于局域按量子力學(xué)，電子分為兩類，一類自旋平行于局域（某一磁層中）磁化強(qiáng)度，另一類自旋反平行于局域磁化強(qiáng)（某一磁層中）磁化強(qiáng)度，另一類自旋反平行于局域磁化強(qiáng)度。度。（B）自旋與磁矩反平行的電子受到的散射非常強(qiáng)，自旋自旋與磁矩反平行的電子受到的散射非常強(qiáng)，自旋反平行有很短的平均自由程，其電阻很大；相反，自旋平反平行有很短的平均自由程，其電阻

4、很大；相反，自旋平行電子有長(zhǎng)的平均自由程和低的有效電阻行電子有長(zhǎng)的平均自由程和低的有效電阻（C C）無(wú)論是在界面還是層內(nèi)，只要有不同的自旋散射，）無(wú)論是在界面還是層內(nèi)，只要有不同的自旋散射，就有巨磁電阻效應(yīng)存在大量的研究表明，至少在大就有巨磁電阻效應(yīng)存在大量的研究表明，至少在大R RR R的系統(tǒng)中的系統(tǒng)中, ,表面散射占統(tǒng)治地位表面散射占統(tǒng)治地位材料物理 上海大學(xué) (a) (b) FeCr(3)多層膜與自旋閥多層膜與自旋閥在多種多層膜中觀察到在多種多層膜中觀察到GMR層間反鐵磁耦合時(shí)可觀察到層間反鐵磁耦合時(shí)可觀察到GMR，R/R大大鐵磁耦合時(shí)無(wú)鐵磁耦合時(shí)無(wú)GMR處于反鐵磁耦合，飽和磁場(chǎng)處于反鐵

5、磁耦合，飽和磁場(chǎng)H HS S高。高。非磁金屬層厚變化鐵磁與反鐵磁耦合振蕩材料物理 上海大學(xué)為降低為降低H HS S，最常用的方法是適當(dāng)，最常用的方法是適當(dāng)增厚增厚NMNM層，使層間耦合接近于層，使層間耦合接近于0 0典型的非耦合的基本結(jié)構(gòu)為：典型的非耦合的基本結(jié)構(gòu)為： FM1/NM/FM2/AFM。 非磁層約2.3nm 自由層該結(jié)構(gòu)即為該結(jié)構(gòu)即為自旋閥自旋閥, 實(shí)用器件單元結(jié)構(gòu)實(shí)用器件單元結(jié)構(gòu)在在很低的磁場(chǎng)下很低的磁場(chǎng)下可使可使FM1與與FM2平行或反平平行或反平行，從而得到足夠大的行，從而得到足夠大的R/R和磁場(chǎng)靈敏度和磁場(chǎng)靈敏度R/R/HS。反鐵磁層通過(guò)界面的交換耦合使相鄰FM層的Ms釘扎

6、在某一方向材料物理 上海大學(xué)(4)磁性隧道結(jié)磁性隧道結(jié)MTJ和其和其GMR效應(yīng)效應(yīng)以絕緣層以絕緣層I代替自旋閥的非磁金屬層即代替自旋閥的非磁金屬層即為為MTJ，常用的基本結(jié)構(gòu)常用的基本結(jié)構(gòu): FM1/I/FM2/AFM工作電流垂直于膜面工作電流垂直于膜面(CPP)。I I層厚度約層厚度約12nm12nm，可有隧道電流跨過(guò)，可有隧道電流跨過(guò)I I層；層；隧道電流與隧道電流與FermiFermi面的能態(tài)密度面的能態(tài)密度N(EN(EF F) )有關(guān)，也與自旋有關(guān)有關(guān)，也與自旋有關(guān); ; 當(dāng)當(dāng)FM1FM1和和FM2FM2的的MsMs平行時(shí)為低電阻平行時(shí)為低電阻, ,相相反時(shí)為高電阻反時(shí)為高電阻磁性隧道

7、結(jié)的磁電阻值高于自旋閥，磁性隧道結(jié)的磁電阻值高于自旋閥，室溫室溫R/R可達(dá)可達(dá)50%。材料物理 上海大學(xué)(5)自旋極化電流及自旋極化電流及CMR材料材料nnnnP,n自旋極化度的定義：自旋極化度的定義：Fe、Co、Ni的自旋極化度P的數(shù)值為+40%、+35%和+23%。傳導(dǎo)電子自旋極化度P=1的材料意義重大;半金屬材料和摻雜的鈣鈦礦型錳氧化物P=1n為電流中電子自旋向上及向下的濃度材料物理 上海大學(xué)q1950, Jonker and Van Santen 首先報(bào)道了首先報(bào)道了LaMnO3-CaMnO3 ；(/SrMnO3 / BaMnO3)中存在鐵磁性的研究結(jié)果；中存在鐵磁性的研究結(jié)果；q19

8、51, Zener 提出提出 DE 模型解釋模型解釋 FM 金屬相；金屬相；q1993，Helmolt 和和Chahara 注意到注意到 La-Ba-Mn-O 和和La-Ca-Mn-O 的的MR0 分別為分別為 60 和和 53。錳氧化物錳氧化物(金屬金屬/絕緣體相變和龐大磁阻絕緣體相變和龐大磁阻) 研究進(jìn)展研究進(jìn)展q1994, Jin 等人在等人在La2/3Ca1/3MnO3薄膜薄膜中發(fā)現(xiàn)中發(fā)現(xiàn)TC附近附近 (77 K)MRH 高達(dá)高達(dá)127000% ，被稱為，被稱為 colossal magnetoresistance (CMR) 效應(yīng)效應(yīng). Ref: Zener C, PR81, 440

9、(1951); 82, 403(1951) Jin S et al, Science, 264, 413(1994) %100)(/)()0(MRHHH材料物理 上海大學(xué)晶胞結(jié)構(gòu)晶胞結(jié)構(gòu) 基本表達(dá)式：基本表達(dá)式：ABO3A是三價(jià)稀土離子是三價(jià)稀土離子B是是Mn離子離子Mn/Cu,Zn,Fe,CrLa/M2+O2-錳氧八面體的錳氧八面體的Jahn-Teller畸變畸變 壓縮壓縮 拉伸拉伸 材料物理 上海大學(xué)v超交換相互作用超交換相互作用v雙交換雙交換(DE)模型模型 vJahn-Teller 聲子和極化子模型聲子和極化子模型v相分離機(jī)制相分離機(jī)制材料物理 上海大學(xué)超交換相互作用超交換相互作用超交

10、換作用導(dǎo)致超交換作用導(dǎo)致Mn3+OMn3+反鐵磁排列示意圖反鐵磁排列示意圖Mn+OMn+兩個(gè)兩個(gè)Mn+上的電子自旋通過(guò)中間上的電子自旋通過(guò)中間O2-的激發(fā)態(tài)的激發(fā)態(tài)而產(chǎn)生的耦合作用為超交換作用。而產(chǎn)生的耦合作用為超交換作用。180 d3-O- d3 的超交換作用是反鐵磁的的超交換作用是反鐵磁的, 180 d3-O- d4超超交換作用是鐵磁的。交換作用是鐵磁的。超交換作用不能像雙交換作用那樣總超交換作用不能像雙交換作用那樣總是導(dǎo)致鐵磁性和電導(dǎo)增大。是導(dǎo)致鐵磁性和電導(dǎo)增大。材料物理 上海大學(xué)雙交換作用雙交換作用如自旋平行，則如自旋平行，則Mn3+Mn4+ 和和Mn4+Mn3+是兩重簡(jiǎn)并態(tài)。是兩重簡(jiǎn)

11、并態(tài)。雙交換雙交換：電子從：電子從 Mn3+ 位置轉(zhuǎn)位置轉(zhuǎn)移到中心氧離子上，同時(shí)氧離移到中心氧離子上，同時(shí)氧離子的電子轉(zhuǎn)移到子的電子轉(zhuǎn)移到Mn4+的空的空eg軌軌道。這種電子轉(zhuǎn)移成為雙交換道。這種電子轉(zhuǎn)移成為雙交換 Mn3+ O2-Mn4+ Mn4+ O2-Mn3+，雙交換只有雙交換只有Mn離子實(shí)上的自離子實(shí)上的自旋平行時(shí)才能發(fā)生。結(jié)果是近旋平行時(shí)才能發(fā)生。結(jié)果是近鄰鄰Mn上的自旋平行導(dǎo)致鐵磁上的自旋平行導(dǎo)致鐵磁性性, 并增加電子遷移速率，從并增加電子遷移速率，從而增加電導(dǎo)而增加電導(dǎo)(金屬性金屬性)材料物理 上海大學(xué)Jahn-TellerJahn-Teller效應(yīng)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)證明，配位數(shù)為六的過(guò)渡

12、金屬氧化物并非都是理想的實(shí)驗(yàn)證明，配位數(shù)為六的過(guò)渡金屬氧化物并非都是理想的正八面體構(gòu)型，許多是變了形的八面體結(jié)構(gòu)正八面體構(gòu)型，許多是變了形的八面體結(jié)構(gòu)。 1937年，HAJahn和ETeller指出：在對(duì)稱的非線性分子中，如果一個(gè)體系的基態(tài)有幾個(gè)簡(jiǎn)并能級(jí)，則是不穩(wěn)定的，體系一定要發(fā)生畸變使一個(gè)能級(jí)降低消除這種簡(jiǎn)并性。3d4 Jahn-Teller 體系的能級(jí)圖體系的能級(jí)圖材料物理 上海大學(xué)Jahn-TellerJahn-Teller效應(yīng)的結(jié)果效應(yīng)的結(jié)果（1）引起氧八面體骨架扭曲，晶體結(jié)構(gòu)畸變，從而改變）引起氧八面體骨架扭曲，晶體結(jié)構(gòu)畸變，從而改變 Mn-O-Mn鍵長(zhǎng)鍵角。鍵長(zhǎng)鍵角。 Mn-O-

13、Mn鍵長(zhǎng)鍵角的改變又會(huì)影鍵長(zhǎng)鍵角的改變又會(huì)影響到電子的躍遷幾率和雙交換作用。響到電子的躍遷幾率和雙交換作用。（2）消除了）消除了d軌道雙重簡(jiǎn)并，決定軌道雙重簡(jiǎn)并，決定Mn3+反鐵磁有序磁矩反鐵磁有序磁矩的方向的方向（3）導(dǎo)致強(qiáng)的電子聲子相互作用）導(dǎo)致強(qiáng)的電子聲子相互作用Jahn-Teller效應(yīng)將軌道序和晶格序耦合起來(lái)效應(yīng)將軌道序和晶格序耦合起來(lái) 材料物理 上海大學(xué)錳氧化物應(yīng)用及局限性錳氧化物應(yīng)用及局限性應(yīng)用：應(yīng)用：磁傳感器、磁記錄的讀出磁頭以及磁電阻隨磁傳感器、磁記錄的讀出磁頭以及磁電阻隨機(jī)存儲(chǔ)器機(jī)存儲(chǔ)器MRAM等等 ；自旋電子器件。自旋電子器件。 局限性：局限性：居里溫度在室溫以下；居里溫度在室溫以下；需要強(qiáng)磁場(chǎng)。需要強(qiáng)磁場(chǎng)。