自旋电子学简介、研究进展.pdf

第 25卷第 ll期 大 学 物 理 Vo125NO．11 2006年 ¨月 COLLEGE PHYSICS NOV．2006 自旋电子学简介及其研究进展 徐 明，纪红萱 (四川师范大学 物理与电子工程学院 固体物理研究所 ，四川 成都 610068) 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．基于电子 自旋的自旋电子器件能够大大提高信息 处理速度和存储密度，而且具有非易失性 、低能耗等优点．简单介绍了自旋电子学的概念及其研究内容，综述了自旋电子学 目 前的研究及应用进展 ． 关键词：自旋电子学；自旋阀；磁隧道结 ；半导体 自旋电子学 中图分类号：047；O469 文献标识码 ：A 文章编号：1000．0712(2006)ll一0012—06 我们知道 ，在传统的徽电子学中，一般是利用电 时必须考虑电子 的 自旋特性 ，由此又发展 出 自旋 电 子的荷电性由电场来控制电子的输运过程 的，而对 子学的另一个分支——半导体 自旋电子学．磁性半 电子的自旋状态是不予考虑的．为了能够进一步提 导体、磁性 ／半导体复合材料、非磁性半导体量子阱 高信息处理速度和存储密度，就必须对 电子 的 自旋 和纳米结构中的自旋现象，以及半导体的自旋注入 加以利用，由此发展出一门新的学科—— 自旋 电子 的研究皆属于半导体 自旋 电子学的研究范围 ，它 学．自旋 电子学(Spintronicsorspinelectronics)，亦称 们极大地丰富了自旋电子学的内容．可以说 ，自旋 电 磁电子学(Magneto—electronics)，是一 门结合磁学与 子学 目前正处于发展时期，很多新 的现象和应用将 微电子学的交叉学科…．巨磁 电阻的发现是 自旋 电 随着科学技术的发展和人们认识水平 的提高而不断 子学发展的里程碑 ．1988年 ，法 国科学家 Fert小组 被揭示和发现．下面我们就 自旋电子学 的基本 内容 在[Fe／Cr]周期性多层膜 中观察到，当施加外磁场 和研究进展作一简单的介绍 ． 时，其电阻变化率高达 50％，因此称之为巨磁 电阻 效应 (GiantMagnetoresistance，GMR) ．而对反铁 1 GMR 自旋 阀 磁耦合的多层膜，需要很高的外磁场才能观察到 1988年 GMR效应在 Fe／Cr金属多层膜 中的发 GMR效应 ，故并不适合于器件应用 ．后来 ，人们设汁 现引起了各国科学家 的注意，人们从理论和实验上 出一种三明治结构 ，使相邻铁磁层 的磁矩不存在 (或 对多层膜 GMR效应展开了广泛而深入 的研究．为 只存在很小的)交换耦合，则在较低的外磁场下相邻 了使 GMR材料的饱和磁场(H )降低，人们除了采 铁磁层的磁矩能够在平行与反平行排列之 问变换 ， 用降低耦合强度及选用优质软磁作为铁磁层等途径 从而引起磁电阻的变化 ，这就是所谓的 白旋阀结构 外 ，还提 出了非耦合型夹层结构．1991年，B、Dieny (spinvalve)[33．自旋阀结构的出现，使得巨磁 电阻效 利用反铁磁层交换耦合，提出了自旋阀结构 J，并首 应的应用很快变为现实．1995年，人们 以绝缘层 先在(NiFe／Cu／NiFe／