自旋电子学实验论述.pdf

?旋电?学 摘要：?旋电?学主要研究电??旋在固体物理中的作?，是?门结合次?与微电?学 的交叉学科， 其研究对象包括电??旋极化、?旋相关散射、?旋弛豫以及与此相关的性 质及应?等。基于电??旋的?旋电?器件能??提?信息处理速度和存储密度，?且具有 ?易失性、低能耗等优点。 关键词：?旋电?学；磁电阻效应；?旋阀；磁隧道结；脉冲激光沉积 众所周知，电?具有两个重要的内禀属性，即电荷和?旋。现代微电?技术只利?了电?的电 荷属性?没有考虑电?的?旋特性。实际上，?们早在20世纪20年代就发现了电?的?旋特性，但 直到发现材料的电阻率随着材料磁化状态的变化?呈现显著改变的巨磁电阻效应并??旋相关散射 和双电流模型来解释之后，?们开始认识到电??旋的应?价值。对电??旋的研究成为当今研究 的?个热点课题，并逐渐形成了?个新的研究领域即?旋电?学（spintronics）。?旋电?学中电? 的?旋取代电?电荷作为信息储存和传输的载体。电?的?旋态具有较长的驰豫时间，更不容易被 杂质或缺陷的散射破坏，?且?旋态也容易通过调节外部的磁场来进?控制。?们正期待着利?电 ??旋?由度来设计运?速度更?、能量消耗更低、功能多、?集成的下?代微电?器件。这种器 件抛弃了电?的经典特性，转?利?了电?的量?特性，因?原则上将允许电?器件的尺?进?步 ??的减?，从?进?纳?尺度的范围即量级，成为介观物理的重要组成部分之?。 ?、磁电阻效应 正常磁致电阻效应(OMR)为普遍存在于所有?属(如 Au,Cu 等)以及半 导体,合?中的磁场电阻效 应 ,它来源于磁场对电?的洛伦兹?。该? 导致载流?运动发?偏转或螺旋运动,使得载流?受到更 多的?弹性散射(来? 晶格以及各种?序势),损失能动量,减?了平均?由程,从?使电阻升?。磁 场 对传导电?的作?不仅使纵向电阻增加,同时亦产?了?个正?于磁场的 Hall 电阻,即横向电阻。对于 正常的?铁磁性?属,其 OMR ?般是相当?的??? ?般来说,OMR 的特点是: (1)MR=ρ(H)?ρ0 0。 ? (2) 各向异性,但ρT ρ∥0。 (3) 磁场不?时,MR~H2。 (4) 不饱和性。? ?属 Bi 有较?的 OMR。Bi 薄膜在 1.2 Tesla 下,MR~7—22%,Bi 单晶 在低温下可达 102—103%。 半导体也有较? OMR,并已开发成商品化的磁电 阻传感器。如 InSb-NiSb 共晶材料,当 B=0.3 Tesla 时, 室温 MR~200%。 在居?点以下的铁磁?属中,具有与?发磁化强度 Ms 相应的内场μ0Ms。例 如Fe的 内场?达2.1 Tesla,故铁磁?属的零外场电阻率中已包括了内场引起的 OMR。 ?、 磁性?属多层膜的巨磁电阻效应(GMR) ??年代,由于摆脱了以往难以制作?质量的纳?尺度样品的限制,?属 超晶格成为?们?分感 兴趣的研究前沿。研究者们对这类??材料的制备以及磁 有序,层间耦合,电?输运,量?限域等性质 进?了?泛的研究。 1986 年 Grunberg 等?发现在“Fe/Cr/Fe”三明治结构中,Fe 层之间可以通 过 Cr 层 进?交换作?,当 Cr 层在合适的厚度时,两 Fe 层之间存在反铁磁耦合 。在此基础上,1988 年 Baibich 等?研究了在(001)GaAs 基?上?分?束 外延(MBE)?长的单晶(001)Fe/Cr/Fe 三层膜和(Fe/Cr)超晶格 的电?输运 性质 。结果发现当 Cr 层的厚度为 9 ? 时,在 4.2 K 下 20 kOe 的外磁场可以 图 1-2 Fe/Cr 多层膜在 T=4.2 K 时的磁电阻磁场关系。测量电流和磁场?向 都沿着层?(110)轴。 克服反铁磁层间耦合?使相邻 Fe 层磁矩?向平?排列,?此时电流?向平?于膜?的电阻率下降?不 加外磁场(即相邻 Fe 层磁化?量反平?排列)时的?半, 磁电阻值 MR(%)=Δρ/ρHs=(ρ0-ρHs)/ ρHs ?达 100%,其值较?们所熟知的 FeNi 合?各向异性磁电阻效应约??个量级,故命名为巨磁电阻效应 (GMR),如图 1-2 所?。更新的结果表明(Fe/Cr)超晶格的磁电阻效应在低温 1.5K 甚?还可 以更?? 220%。GMR是否是单晶(