顏老師課件自旋電子學2014

顏世申山東大學物理學院

2014.03.20自旋電子學簡介一、序言--電子的電荷與自旋二、自旋電子學的幾個重要發(fā)現(xiàn)層間反鐵磁耦合、巨磁電阻、隧穿磁電阻、半金屬、磁性半導體、拓撲絕緣體、自旋霍爾效應三、電子自旋注入半導體四、硬盤垂直磁存儲技術五、幾種激烈競爭的存儲技術六、我們的研究工作七、我們的實驗室內容提要PeterGrünberg---克魯伯格1939年5月18日出生。1988年，他在尤利西研究中心研究并發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應。AlbertFert---費爾1938年3月7日出。1988年，他發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應，隨后對自旋電子學作出過許多杰出貢獻。2007年諾貝爾物理學獎自旋自旋電子的電荷與自旋電子電荷自旋電子在半導體材料中有電子和空穴兩種載流子極化電子有自旋向上和向下的兩種載流子電子的自旋極化

當電子通過鐵磁金屬時，電子由簡并態(tài)，變成向上(+1/2)和向下(-1/2)的非簡并態(tài)，表現(xiàn)出自旋極化。自旋極化度實驗結果：

材料NiCoFeNi80Fe20Co50Fe50Co84Fe16自旋極化度(％)334544485149N↑和N↓在費密面自旋向上和向下的電子數(shù)。磁化方向自旋極化電流3d4sP=45%P=100%Ef鐵磁體低溫下電子彈性散射的平均時間間隔10-13秒；-平均自由程10nm。非彈性散射的平均時間間隔10-11秒；相位干涉長度1m。

極化電子自旋保持原有極化方向的平均間隔時間10-9秒。sd-自旋擴散長度100m。室溫下自旋擴散長度鈷鐵

FeNi

金銀銅鋁自旋向上↑5.5nm1.5nm4.6nm自旋向下↓0.6nm2.1nm0.6nm1-10m

電子的自旋通常只有在磁性原子附近通過交換作用或者通過自旋-軌道耦合與雜質原子或者缺陷發(fā)生相互作用被退極化。自旋極化的電子輸運lsdThermallyactivatedcoherentPhasechangeprecessionRecordingstabilitySuperparamagneticlimit極慢DomainwallmotionGilbertdampingGHzdataratePrecessionalswitchingSpin-latticerelaxationLaser-induced(de)magnetizationCoherentdynamics各種磁過程的時間尺度100yrYrhrsmsμsnspsfs先進材料的奇異物性和電子自旋密切相關鐵磁材料龐磁阻材料半金屬材料磁性半導體高溫超導體重費米子材料自旋霍爾效應磁性半導體Science294(2001)1488.半金屬一、序言--電子的電荷與自旋二、自旋電子學的幾個重要發(fā)現(xiàn)層間反鐵磁耦合、巨磁電阻、隧穿磁電阻、半金屬、磁性半導體、拓撲絕緣體、自旋霍爾效應三、電子自旋注入半導體四、硬盤垂直磁存儲技術五、幾種激烈競爭的存儲技術六、我們的研究工作七、我們的實驗室內容提要

1.產生大的交換偏置場--HE2.釘扎鐵磁層的矯頑力小--Hc3.反鐵磁層厚度要薄

4.溫度穩(wěn)定性要好

5.熱處理工藝簡單，寬容度大常用的反鐵磁材料:NiMn

FeMn

IrMn

PtMn反鐵磁層通過交換耦合對近鄰鐵磁層起釘扎作用1.交換偏置—反鐵磁/鐵磁界面FreeFMConductingspacerorinsulatingbarrierPinnedFMAntiferromagnetHMHE2.Fe/Cr/Fe三明治結構的層間反鐵磁耦合Phys.Rev.Lett.57(1986)2442Unguris.etal.Phys.Rev.Lett.67(1991)140FeFeCr～1nm反鐵磁耦合與振蕩效應的實驗證明FeFeCrP.Grünberg

et.al.Baibich,A.Fert

et.al

(Fe/Cr)多層膜的巨磁電阻金屬多層膜的巨磁電阻反鐵磁耦合(H=0)CIPCPP1994年Pratt和Levy垂直多層膜的GMR(CPP)，比CIP高4倍的變化Phys.Rev.Lett.66(1991)3060--------70(1993)33433.巨磁電阻(GMR)Phys.Rev.Lett.61(1988)2472磁化強度平行，RP電阻小磁化強度反平行，RAP電阻大RPRPRPRPRAPRAPRAPRAP二流體模型自旋電子極化方向平行磁化強度方向-平均自由程長自旋電子極化方向反平行磁化強度方向-平均自由程短巨磁電阻效應的解釋CuCo(Fe/Cr)n的R/R0磁電阻隨周期數(shù)n的增加而增大Parkin.etal.Phys.Rev.Lett.64(1990)2304?R/R(％)隨Cr厚度變化的振蕩關系↑↑↑↑↑↑↑↓↑↓↑↓飽和磁場隨Cr層厚度變化的振蕩關系↑↓↑↓1990年Parkinetal多層膜的交換耦合振蕩和巨磁電阻振蕩1020304051015Crthickness(?)SaturationField(kOe)飽和磁場隨Cr層厚度變化的振蕩關系GMR自旋閥1990年Shinjo

兩種不同矯頑力鐵磁層的自旋閥結構1991年Dieny

用反鐵磁層釘扎一層鐵磁層的自旋閥結構J.Appl.Phys.69(1991)4774MR=7%反鐵磁層釘扎鐵磁層自由鐵磁層SiKoui.etal和Huaietal8th.JointMMM-IntermagConference2001納米氧化層NOL(Nanooxidelayer)?R/R=15％(>10％)-20246810121416-600-400-2000200400600H(Oe)MR(%)NOL15%8%納米氧化層增強自旋閥磁電阻GMR的部分應用反鐵磁層鐵磁層1鐵磁層2非磁性層硬盤讀出磁頭GMR隔離器傳感器GMR-typeMRAM(Honeywell公司曾制作出1Mb的MRAM,

估計軍方是唯一用戶)CompassingGlobalPositionSystemsVehicleDetectionNavigationRotationalDisplacementPositionSensingCurrentSensingCommunicationProducts通信產品TheWorldofMagneticSensors羅盤全球定位車輛檢測導航位置傳感器電流傳感器轉動位移4.隧穿磁電阻TMR1975年Julliere

在Fe/Ge/Co中發(fā)現(xiàn)兩鐵磁層中磁化平行和反平行的電導變化在4.2K為14％。Phys.Lett.54A(1975)2251982年Maekawa等在Ni/NiO/Ni，(Fe、Co)等發(fā)現(xiàn)磁隧道電阻效應IEEETrans.Magn.18(1982)7071995年Miyazaki

在Fe/Al2O3/Fe三明治結構，在室溫下有15.6％的磁隧道電導變化，磁場靈敏度為8％/Oe。Al2O3FeFeAl2O3FeFeJ.Magn.Magn.Mater.139(1995)L231----151(1995)403↑↑↑↑↑↑↑↓↑↓↓↓↓↓↓↑↓↑Fe/Al2O3/Fe電阻隧磁場變化Fe/Al2O3/Fe磁滯回線Al2O3為絕緣層的磁穿道電阻自旋極化度N↑和N↓分別表示在費密面自旋向上和向下的電子數(shù)?！?/p>

電阻RP小↑↓

電阻RAP大隧穿磁電阻的解釋量子隧道效應示意圖(Fe/Al2O3/Fe)TMR反鐵磁釘扎主流材料—IrMn、PtMnIrMnPhilipsresearchPtMnWestVirginiaU.&IBM適合SV、AlOx-MTJ與硬盤記錄讀頭處理溫度：250～300CRu5/Cu10NiFe5IrMn12CoFeB4Al2O31.2CoFeB6Ru5正常釘扎型TMR人工反鐵磁耦合材料—CoFe-Ru-CoFeB人工反鐵磁耦合釘扎PhysRevB72(2005)054419

改善釘扎層的交換偏置場,自由層翻轉一致非常好，錳擴散不到釘扎鐵磁層，磁路封閉正常人工Ru5/Cu10NiFe5IrMn12CoFe4Ru0.8CoFeB4Al2O31.3CoFeB4NiFe5Ru5RKKY作用人工反鐵磁反鐵磁Fe/MgO/Fe隧道結的TMR理論預言用第一性原理計算隧道電導和磁電導

小原子是鎂，大原子是鐵，大原子上的黑球是氧。Fe[100]平行MgO(100)面上的[110]方向。

多數(shù)電子和少數(shù)電子在費米面附近態(tài)密度完全不同。結構模型Mg1oFe[010][100][110]2[100]FeMgO

多數(shù)電子和少數(shù)電子在費米面附近態(tài)密度大體相同。

1）

MgO界面附近的Fe在費米面附近的態(tài)密度2）Fe界面附近的MgO在費米面附近的態(tài)密度計算：多數(shù)電子少數(shù)電子W.H.Butler,P.R.B63,054461(2001)3）計算Fe/MgO/Fe(k//=0)隧道態(tài)密度TDOS多數(shù)電子少數(shù)電子磁矩平行磁矩反平行

對于k//=0Fe(100)有四個布洛赫態(tài)：

一個?1，兩重簡并態(tài)?5，一個?2’

在MgO中有不同的衰減，?1只在多數(shù)電子時在費米面附近有較高態(tài)密度。結論：

多數(shù)電子的隧道電導由對稱的?1態(tài)決定，由于?1態(tài)對多數(shù)電子在費米面附近有態(tài)密度，對少數(shù)電子在費米面附近沒有態(tài)密度，

類似于半金屬的能態(tài)，因此自旋極化率為100%。理論預言TMR可達到1000％TMR實驗：相干自旋極化隧穿的Fe/MgO/Fe隧道結S.Yuasa

JpnJApplphys43,L588(2004)MgO(001)基片F(xiàn)e(001)MgO(001)2nmFe(001)3x12m2超過Al2O3非晶勢壘(TMR~70%)室溫：TMR=88%寫入讀出位線字線寫線寫線位線字線WWLRWLGNDBLMTJCMOS磁性隧道結的應用—磁記錄頭，MRAMMotorolaMTJMRAMstructureMRAM與現(xiàn)行各存儲器的比較（F為特征尺寸）技術DRAMFLASHSRAMMRAM容量密度256GB256GB180MB/cm2>256GB速度150MHz150MHz913MHz>500MHz單元尺寸25F2/bit2F2/bit

2F2/bit聯(lián)接時間10ns10ns1.1ns<2ns寫入時間10ns10s

<10ns擦除時間<1ns10s

<10ns保持時間2.4s10years

無窮循環(huán)使用次數(shù)無窮105無窮無窮工作電壓(V)0.5-0.6V

5V

0.6-0.5V

<1V開關電壓0.2V5V

<50mVMRAMDRAMFLASH5.高自旋極化率材料：半金屬材料和稀磁半導體混合價鈣鈦礦CMR稀磁半導體稀磁半導體

材料摻雜元素磁矩(B)居里溫度(K)參考文獻GaNMn9%0.9940TiO2Co7%1.4650-700Shindeetal(2003)

Fe2%2.4300Wangetal(2003)SnO2Fe5%1.8610Coeyetal（2004）

Co5%7.5650Ogaleetal(2003)ZnOFe5%Cu%0.75550Hanetal(2002)

Co10%2280-300Uedaetal(2001)Son0daetal(2002)Diluteferromagneticoxides;TC>RT相變：鐵磁、金屬―順磁、絕緣體6.龐磁電阻Mn3+

與Mn4+交換電子兩次躍遷過程：氧離子電子→Mn4＋

Mn3+

eg電子→氧離子絕緣→金屬轉變龐磁電阻機理—雙交換作用模型外磁場使相鄰格點局域自旋間夾角減小，增加躍遷概率，從而增加電導(減小電阻),產生CMR。

拓撲絕緣體理想的能帶結構。其費米能級位于塊材的帶隙，該帶隙被拓撲保護的表面量子態(tài)所填滿。

拓撲絕緣體表面的自旋-軌道耦合7.拓撲絕緣體材料與物理機理Topologicalphasetransition.(A)High-resolutionARPESdispersionmapsalongthe-momentumspaceline,fromaspin-orbitbandinsulator(leftpanel)toatopologicalinsulator(rightpanel).(B)ARPES-mappednativeFermisurfacesfordifferentchemicalcompositions.(C)Leftandrightpanels:Energydistributioncurvesforstoichiometriccompositions.(D)Evolutionofelectronicgroundstate(3Dbandtopology)imagedoverawiderangeofenergy(verticalaxis),spin(arrows),andmomentum(horizontalplane).Xu

et,al.,Science332(2011)560.從能帶絕緣體到拓撲絕緣體的相變J.E.Hirsch,Phys.Rev.Lett.83,1834(1999)M.I.Dyakonov,JETPLett.13,467(1971)Y.K.Kato,Science306,1910(2004).8.自旋霍爾效應三種霍爾效應：正常霍爾效應、反常霍爾效應、自旋霍爾效應三種量子霍爾效應。H表示外加磁場強度，M表示自發(fā)磁化強度。這三種量子霍爾效應中，電子都是沿著無耗散的邊緣運動，材料內部是絕緣的?；魻枩y量是測量一個方向的“凈”電荷，對于量子霍爾效應（左側）來說，邊緣的不同自旋方向的電子都是朝著一個方向運動；對于量子自旋霍爾效應（中間）來說，不同自旋方向的電子的運動方向不同；在量子反常霍爾效應（右側）中，沿邊緣運動的只有自旋向下的電子。自旋和電荷運動方向的“鎖定”機制和邊緣通道的數(shù)量取決于材料本身。一、序言--電子的電荷與自旋二、自旋電子學的幾個重要發(fā)現(xiàn)層間反鐵磁耦合、巨磁電阻、隧穿磁電阻、半金屬、磁性半導體、拓撲絕緣體、自旋霍爾效應三、電子自旋注入半導體四、硬盤垂直磁存儲技術五、幾種激烈競爭的存儲技術六、我們的研究工作七、我們的實驗室內容提要

ll

lsdsemiconductors2002000semimetals>50>500s-bandmetals30300d-bandmetals5.00.930不同材料的自旋擴散長度lsd有機物材料室溫下的自旋遲豫時間10-7到10-5秒，長于金屬中的10-9秒。三、電子自旋注入半導體自旋注入方式(STM).歐姆接觸彈道點接觸隧道注入熱電子注入(STM)Spininjection自旋檢測自旋閥檢測電位計檢測n,ptypeP-GaAs(100)P-AlGaAs570nmAlGaAs75nmGaAs50nmAlGaAs15nmAlGaAs100nmGaAs5nmMgO3nmCoFe5nmTa10nmLEDsOpticalDetection光檢測全半導體磁隧道結Ga1-xMnxAs(x=3.3%)Ga1-xMnxAs(x=4.0%)AlAs50nm50nm3nm低溫8K測量TMR~70％(鐵磁半導體電極)PRL87(2001)026602多場調控:未來的自旋場效應晶體管磁性半導體或磁性半金屬極化光調控載流子電場調控載流子濃度、自旋方向磁場調控自旋方向半導體中極化電子的輸運自旋注入磁性半導體或磁性半金屬高介電材料一、序言--電子的電荷與自旋二、自旋電子學的幾個重要發(fā)現(xiàn)層間反鐵磁耦合、巨磁電阻、隧穿磁電阻、半金屬、磁性半導體、拓撲絕緣體、自旋霍爾效應三、電子自旋注入半導體四、硬盤垂直磁存儲技術五、幾種激烈競爭的存儲技術六、我們的研究工作七、我們的實驗室內容提要四、硬盤垂直磁存儲技術磁頭磁盤(表面的多層磁存儲材料薄膜也稱為磁媒)基片(鋁質或鋼化玻璃)硬盤存儲器成機(驅動器)IBMRAMAC19552kbits/in250x24”diadisksMicrodrive20041x1”diadiskSize:4×3×0.5cm8Gbyte5Mbyte

Seagate2004108Gbits/in23x3.5”disks400Gbyte磁盤片發(fā)展過程2013年6Tbyte硬盤磁記錄發(fā)展歷史薄膜磁頭磁電阻磁頭巨磁電阻磁頭磁記錄介質的超順磁效應100Gb面密度Mbit/in21Gb

磁材料發(fā)展方向2006年度世界硬盤存儲器技術開始全面轉向垂直磁存儲技術常規(guī)縱向記錄

反鐵磁耦合縱向記錄

垂直記錄

釕厚度三個原子層，兩磁性層反平行耦合反鐵磁耦合介質--AFC

最后一代LMR和第一代PMR磁存儲層結構和合金組份是關鍵技術開發(fā)的基點Deskstar7K1000*1000/750GB–SATA*最大磁錄密度為每平方英寸148GB*最大磁碟數(shù)據(jù)傳輸速率為1,070Mb/s*平均尋道時間（包括指令執(zhí)行時間）為8.7毫秒*轉速7200RPM，平均延遲時間為4.17毫秒*高26.1毫米（最大）*重700g（最大）*5/4磁碟，10/8錄寫磁頭–SATA*300G/1ms震動（非作業(yè)避震）*9.0（5磁碟）/8.1（4磁碟）瓦特省電空閑–SATA*一般空閑聲量：2.9貝爾*作業(yè)溫度：攝氏5至60度2007年第一季度上市，有750GB和1TB兩種容量。日立環(huán)球存儲科技（HitachiGST）公司一、序言--電子的電荷與自旋二、自旋電子學的幾個重要發(fā)現(xiàn)層間反鐵磁耦合、巨磁電阻、隧穿磁電阻、半金屬、磁性半導體、拓撲絕緣體、自旋霍爾效應三、電子自旋注入半導體四、硬盤垂直磁存儲技術五、幾種激烈競爭的存儲技術六、我們的研究工作七、我們的實驗室內容提要硬磁盤

五、幾種激烈競爭的存儲技術(垂直磁記錄)閃存FlashMRAM讀寫速度機械運動連續(xù)磁介質非連續(xù)磁介質圖形磁介質熱輔助垂直記錄氧化物存儲相變存儲PRAMReRAM賽道存儲高存儲密度讀寫速度快無運動部件完全是微電子工藝閃存Flash價格偏高讀寫循環(huán)次數(shù)少壽命？浮動柵用量子點或納米顆粒發(fā)現(xiàn)了電致各向異性電阻、磁電阻效應氧化物存儲技術有可能成為信息存儲器件的新原理SrTiO3La0.67Ca0.33MnO3RI100nmAB處理電脈沖電阻變化“1”“0”+-大電流處理小電流測量

首先通入大電流寫入，通入小電流沿不同方向測量電阻,進行讀出.A電極電極PrCaMnO3相變存儲技術Tx：晶化溫度Tm：熔點Tg：玻璃化溫度相變材料的特性：從熔點冷卻到室溫形成非晶態(tài)；從室溫升到晶化溫度以上，低于熔點，冷卻下來為晶態(tài)。晶態(tài)電阻小(讀為“0”)，非晶態(tài)電阻大(讀為“1”)。電極相變材料絕熱層絕熱層電極大電流擦除；中電流寫入；小電流讀出TgTmTx寫入讀出擦除GeSbTe《賽道》存儲器表一:幾種典型易失/非易失存儲器的性能參數(shù)存儲器DRAMSRAMFlashFRAMPhasechangeMemoryMRAMReRAM非揮發(fā)性無無有有有有有寫入功率低低高低低高低寫入電壓低低高低－中低讀出電壓變化范圍100－200mV100－200mVDelta

電流-－20－40％10X-1000X寫入時間50ns8ns1μs30ns10ns30ns10ns擦除時間50ns8ns10ms30ns50ns30ns30ns讀取時間50ns8ns50ns30ns20ns30ns20ns寫入能量中高高低低中低高密度的技術困難電容容量晶體管數(shù)目絕緣層

厚度強誘電

體面積曝光技術寫入電流曝光技術擦寫次數(shù)無限制無限制1051061015>101210151015一、序言--電子的電荷與自旋二、自旋電子學的幾個重要發(fā)現(xiàn)層間反鐵磁耦合、巨磁電阻、隧穿磁電阻、半金屬、磁性半導體、拓撲絕緣體、自旋霍爾效應三、電子自旋注入半導體四、硬盤垂直磁存儲技術五、幾種激烈競爭的存儲技術六、我們的研究工作七、我們的實驗室內容提要CoO1-x

ZnO1-v

氧離子或氧空位氧離子（氧空位）遷移引起類氧化-還原反應：氧離子庫

CoO1-x

金屬-絕緣體轉變解決的關鍵問題：●能否把記憶電阻與磁電阻集成在一個器件中，獲得多電阻態(tài)●實現(xiàn)既可電控又可磁控

Co/CoO1-x-ZnO1-v/Co1.電致電阻與磁電阻復合的自旋記憶電阻器

結構：Cr/Ag/Co10nm/CoO-ZnO2nm/Co30nm/Ag

生長關鍵：控制氧分壓，控制CoO-ZnO絕緣層的載流子濃度生長

2nmZnO

的最佳氧分壓范圍：0.25-0.30%.Co/CoO-ZnO/Co

異質結示意圖ScientificReports4(2014)3835HRS高阻態(tài)I-V非線性，隧穿導電

LRS低阻態(tài)

I-V線性，金屬導電Co10nm/CoO-ZnO2nm/Co30nm的電致電阻效應高阻態(tài)到低電阻的電阻變化約40倍高低阻態(tài)的室溫磁電阻與磁滯回線可用電場調控磁電阻！得到了4個電阻態(tài)！TMR~15%高阻態(tài)CPP-GMR~2.5%低阻態(tài)高低阻態(tài)的低溫磁電阻與磁滯回線電場調控的交換偏置場：HRS:HE~670Oe

LRS:HE~160Oe

TMR=2P1P2/(1-P1P2)=68%P1=35%,P2=72%

增強的磁電阻及其機理：Bandstructure

?~similartoFe/MgO/Fe2.Coulombblockadeeffect?Tunnelingofnon-selectrons?Cod~80%Co/CoO-ZnO/Co

異質結的阻變機理純

CoO

良好反鐵磁絕緣體,純Co良好的鐵磁金屬ZnO1-v

的電阻遠小于CoO1-x

在電場作用下，氧離子（或氧空位）在ZnO1-v與CoO1-x

之間遷移，使CoO1-v發(fā)生金屬--絕緣體轉變。ScientificReports4(2014)3835Co/CoO/Co異質結的第一原理計算CoO

絕緣體Co/CoO

界面金屬自旋極化P=73%CoO1-v金屬V=0.25(a)高磁化強度600emu/cm3居里溫度高于室溫Appl.Phys.Lett.4(2004)2376Appl.Phys.Lett.89(2006)0425012.濃磁半導體材料---高磁化強度、大磁電阻、大克爾角(c)大克爾角！0.72度(b)大磁電阻

-35%Zn0.2Co0.8O：P=36%Ti0.24Co0.76O2：P=22%JPCM18(2006)10469JAP100(2006)103901

自旋依賴的變程躍遷自旋極化率交換作用Ti0.24Co0.76O2Zn1-xCoxO濃磁半導體性能