Ch3隧道磁电阻（TMR）效应..ppt

Ch 3 隧道磁电阻（TMR）效应 本讲内容（2学时）重点： 隧穿现象和 隧道磁电阻（TMR）效应 Julliere公式  结晶MgO隧道结(新) 隧穿现象 “M－I－M” 振荡波和衰减波 电子的穿透率 用 WBK 方法计算波函数 计算穿透率 T 自由电子平面波情况 结果： 简化： 位垒 与坐标无关， （1）强入射、弱势垒 入射能量 E接近 V0、 绝缘层很窄 (X2-X1)→ 0。 那么，I → 0；T→1。 电子的穿透。 （2）弱入射、强势垒 反之。 那么，I → 很大；T→很小。电子受阻。 隧穿电流 Simmons 公式！（1963） 应该计入 Fermi－Dirac 统计 (1) → (2) 电子 (2) → (1) 电子 隧穿电流 重要物理结论： 隧穿电流 ≈ 指数衰减部分×状态函数部分 其中，指数部分＝ F（势垒宽、高度，...） 状态部分＝ F（两个电极的性质,...） 几种隧穿现象的差别 不同的“两电极性质”和“势垒、宽、高度” (物理含义!) 名称 势垒 电极 1 隧道效应 绝缘体 简单金属－I －简单金属 2 隧道磁电阻效应 绝缘体 铁磁金属－I －铁磁金属 3 扫描隧道显微镜STM 真 空 简单金属－V－待测样品 4 自旋极化STM 真 空 铁磁金属－V－待测样品 5 ......... 隧穿磁电阻 (TMR) 效应 “FM－I－ FM”结 发现 M Julliere （1975）； 再发现 T Miyazaki （1995） Moodera （1995）  GMR TMR TMR实验结果韩秀峰等（2000） TMR物理 Julliere公式（1） 隧穿电流 （近似!）I ∝ 指数衰减部分×状态密度部分 上左图 FM电极的磁矩彼此“平行” （注意：数值大小是 ） 上右图 FM电极的磁矩彼此“反平行” （注意：数值大小是 ） Julliere公式（2） 比较“不同自旋态”隧穿电流的大小 ? 问： ？ 这就是TMR效应 证明：（两个数自乘之和必大于互乘的2倍） 假设 就有 当然 不等式成立 Julliere公式（3） TMR 比率（放大的） 定义 分子 ＝ 分母 ＝ Julliere公式（4） TMR的公式（用自旋极化率 表示） 第一个电极 第二个电极 简单代数运算，就得到 Julliere的公式， Julliere公式（5） “保守的”Julliere的公式 例子，如果，以Fe和Co 作为电极， 那么 TMR比率＝0。26 STM 将“M－I－M”结中绝缘体 (I） 换成“真空”，得STM。 将Julliere“FM－I－FM”结中绝缘体（I） 换成“真空”，得自旋极化的STM。 结晶MgO隧道结 2001年Butler、张晓光等理论预言： 在完全结晶的磁隧道结 Fe(100)/MgO(100)/Fe(100)中， 磁电阻比率 可以达到1000％。 (注：按另一种定义磁电阻比率为91％) （PhysRev B63，054416（2001）） Parkin等人报道实验值达到200％。 （Nature Materials 3, 862(2004) 。  TaN(10)/IrMn(250)/Co84Fe16(8)/30Co70Fe30(3)/MgO(3.1)/Co84Fe16(15)/TaN(12.5)。单位为纳米。 日本 Shinji Yuasa 等人报道类似结果。 （Nature Materials 3, 868(2004) MgO绝缘层断面的高分辨电子显微镜相片。 具有清晰的（001）MgO层结晶取向。 Fe(100)/MgO(100)/Fe(1