巨磁电阻和自旋电子学-北京大学物理学院.ppt

高存储密度 读写速度快 无运动部件 完全是微电子工艺 闪存 Flash 价格偏高 读写循环次数少 寿命？ 浮动栅用量子点或纳米颗粒 发现了电致各向异性电阻、磁电阻效应 氧化物存储技术 有可能成为信息存储器件的新原理 SrTiO3 La0.67Ca0.33MnO3 R I 100nm A B 处理电脉冲 电阻变化 “1” “0” + - 大电流处理 小电流测量 首先通入大电流处理样品，然后撤掉处理电流，通入小电流沿不同方向测量电阻。发现和处理电流同向时电阻较小，反之电阻大的多。类似p-n结的整流行为。表明电致各向异性电阻效应。 相变存储技术 Tx：晶化温度 Tm：熔点 Tg：玻璃化温度 相变材料的特性： 从熔点冷却到室温形成非晶态；从室温升到晶化温度以上，低于熔点，冷却下来为晶态。 晶态电阻小(读为“0” )，非晶态电阻大(读为“1” )。 电极 相变材料 绝热层 绝热层 电极 大电流擦除；中电流写入；小电流读出 Tg Tm Tx 写入 读出 擦除 GeSbTe * Peter Grünberg---克鲁伯格 1939年5月18日出生。从1959年到1963年，克鲁伯格在法兰克福约翰-沃尔夫冈-歌德大学学习物理，1962年获得中级文凭， 1969年在德国达姆施塔特技术大学获得博士学位。1988年，他在尤利西研究中心研究并发现巨磁电阻效应；1992年被任命为科隆大学兼任教授；2004年在研究中心工作32年后退休，但仍在继续工作。他1994年获美国物理学会颁发的新材料国际奖(Fert、Parkin共同获得)；1998年获由德国总统颁发的德国未来奖；2007年获沃尔夫基金奖物理奖(与Fert共同获得)。 Albert Fert---费尔 1938年3月7日出。1962年在巴黎高等师范学院获数学和物理硕士学位。1970年从巴黎第十一大学获物理学博士学位，前在该校任物理学教授。他从1970年到1995年一直在巴黎第十一大学固体物理实验室工作。后任研究小组组长。1988年，他发现巨磁电阻效应，随后对自旋电子学作出过许多杰出贡献。1994年获美国物理学会颁发的新材料国际奖， 1995年至今则担任国家科学研究中心-Thales集团联合物理小组科学主管, 1997年获欧洲物理协会颁发的欧洲物理学大奖，以及2003年获法国国家科学研究中心金奖。 一、序言 二、巨磁电阻GMR 三、隧道磁电阻TMR 五、物理所MRAM研究进展 四、硬盘存储器--垂直磁存储技术 自旋 自旋 一、序言 电子 电荷 自旋 在半导体材料中有电子和空穴两种载流子 极化电子有自旋向上和向下的两种载流子 电子 M 低温下电子弹性散射的平均时间间隔10-13 秒， 平均自由程10nm。 非弹性散射的平均时间间隔10-11 秒， 相位干涉长度1?m。 极化电子自旋保持原有极化方向 的平均间隔时间10-9 秒， 自旋扩散长度100?m。 室温下自旋扩散长度 钴 铁 FeNi 金银铜铝 自旋向上↑ 5.5nm 1.5nm 4.6nm 自旋向下↓ 0.6nm 2.1nm 0.6nm 1-10?m 电子的自旋通常只有在磁性原子附近通过交换作用或者通过自旋-轨道耦合与杂质原子或者缺陷发生相互作用被退极化。 A.电子的输运性质 自旋极化电子的特性 lsd B.电子自旋极化度 当电子通过铁磁金属时，电子由简并态，变成向上(+1/2)和向下(-1/2)的非简并态，极化度表示为 自旋极化度 实验结果： 材料 Ni Co Fe Ni80Fe20 Co50Fe50 Co84Fe16 自旋极化度(％) 33 45 44 48 51 49 N↑和N↓分别表示在费密面自旋向上和向下的电子数。 ? 3d 4s P=45% P=100% 自旋极化电子的特性 铁磁体 磁化方向 典型的两种效应：巨磁电阻GMR和隧道磁电阻TMR 非磁金属Cu-GMR 绝缘体Al2O3-TMR 量子隧道效应示意图 铁磁体 铁磁体 中间层 绝缘层势垒 Rp=平行耦合时的电阻 Rap=反平行耦合时的电阻 1986 在Fe/Cr/Fe纳米磁性多层膜发现反铁磁层间耦合效应 二、巨磁电阻GMR 是自旋电子学产生的基石 1986年 P.Grünberg Fe/Cr/Fe 三明治结构中Cr适当厚度产生反铁磁耦合 Unguris.et al.Phys.Rev.Lett.67