巨磁电阻（GMR）自旋阀浅析.pdfVIP

7南拓科技 2o08年第3期 学术研讨 巨磁电阻(G M R)自旋阀浅析 朱 林 (乐山师范学院物理与电子信息科学系、 摘 要 2007年的诺贝尔物理学奖颁发给德、法的两位科学家，以表彰他们在19年前各自独立发现了巨磁电阻效应，为现代信息 技术和电子学新领域的发展所作出的奠基性贡献 GM1L自旋阀在各类GMR微电子元件中占有举足轻重的地位，它的应用创造了一个 AkGMR．效应基础研究到GMR磁电子器件开发的奇迹 关键词 自旋阀 巨磁电阻 应用 1986年，P、Gr n nberg等人在Fe／Cr多层膜中发现铁磁层之间可以 磁屯 出现反铁磁耦合状态” ，即相邻Fe层中的磁化矢量成反平行排列。与 此相联系，1988年，Baibich等人 报道了惊人的发现：低温下， “钉扎层” (O1)Fe／(()1)Crr／~性超品格在一定磁场下其电阻变化率达50％，且电阻 “被钉扎层”黑 “分隔层” 变化率为负，磁电阻值基本上是各向同性的。随之，在大量其他金属 “自由层” ■—隧潮 制成的磁性多层膜系统，磁性纳米管及磁颗粒系统中也发现了这种巨 外加磁场 (a) ． (b) 大的磁电阻效应，称为巨磁电阻效应(GMR)。 图1自旋阀纳米多层膜结构原理图 此后，巨磁电阻效应及其材料的基础研究和应用研究迅速成为 在此纳米多层膜基本结构中，铁磁被钉扎层，非磁性分隔层和 人们关注的热点。但早期研究的磁性多层膜材料只有在低温和高磁 铁磁自出层的厚度均只有儿个纳米，远小于电子的平均自由程。实际 场下才产生显著的电阻变化，制约了该类巨磁电阻材料的应用， 自 的GMR自旋阀纳米多层膜可达lO层以上，总厚度不超过20nm- 1989~起，Binaseh，S．P．Parkin等人相继在室温下的磁性多层膜中 30nm，采用多种金属及合金材料。 观察到GM砌现象，突破了温度对GMR现象的限制。1991年1BM公司 2 自旋阀中巨磁电阻成因的理论研究 的B．Dieny提出自旋阀多层膜结构，并首先在其中发现了低饱和场 GMR效应，从而打破了磁场条件对GMR材料应用的束缚 1994 同其他GMR磁性多层膜一样，自旋ff1}l多层膜中的巨磁电阻效应 年，IBM公司成功将自旋 结构的读出磁头应用到硬盘驱动器，并 与磁场的方r口J无关，它仅依赖于相邻铁磁层的磁矩的相对取向，而外 在4年后投入市场 目前，自旋阀结构的读出磁头已成为磁头的主 磁场的作用不过是改变相邻铁磁层的磁矩的相对取向。这一切说明电 流．．此后自旋『例型GMR随机存储器及磁传感器等采用自旋阀结构的 子的输运与电子的自旋散射有关 出于在与自旋相关的s 散射中， 当电子的自旋与铁磁金属的自旋向上的 子带平行时，其平均自由程 电子产品相继问世，对电子工业及材料工业产生广泛而深远的影 长，相应的电阻率低；而当电子的自旋与铁磁金属的自旋向下的3d子 响。 带平行时，其平均自出程短，相应的电阻率高。因此，当相邻铁磁层 1 自旋