Ch 2 巨磁电阻 (今年修订本).ppt

Ch 2， 巨磁电阻（GMR）效应 本节内容 1，振荡的层间耦合（1986） 2，金属量子阱中的自旋极化 3，GMR效应（1988） 重点：Mott的两流体模型 1，层间耦合 问题的提出？ 相邻FM层间的耦合作用与中间NM分隔层的厚度有关？ 多层膜中的电子的本征状态？ Grunberg (1986）布里渊散射Fe/Cr/Fe  FM层间的振荡耦合――普适现象 Parkin 的贡献 （1990） Co/Ru， 振荡周期 约12埃 FM层间的振荡耦合――直接观察（SEMPA） Unguiris等 (1991) Fe 单晶/ Cr 尖劈/ Fe薄膜 FM层间的振荡耦合――VSM 阎明朗等 1994， NiFe/Mo/NiFe 2，多层膜中，电子的状态 真空中的金属薄膜 行波――平行方向 电子连续谱 E（k// ）=k// 2 驻波――垂直方向 电子分立谱 E (k⊥) 波函数是由包络函数调制的快振荡的 Bloch函数 Bloch函数 的波长 ＝ 2a （a 晶格常数） 包络函数波长由薄膜厚度决定。 （厚度是半波长整数倍） 薄膜上的量子阱态 铁磁金属薄膜（自旋极化的）量子阱s－d散射机制 薄膜Cu（100）在fcc Co（100）基底上 自旋极化的 光发射谱 （下左图） 能带结构图 （下右图） 层间耦合的理论 计算不同的NM厚度、不同的自旋状态的总能量。 比较哪个磁状态有利？ 总能量→库仑作用→DOS→波函数→非磁层厚度、铁磁层自旋状态。 注意：长程静磁（偶极）耦合！ 交换作用 （1）氢分子 三重态或单态←交换作用符号 ←电子云（波函数）的重叠情况←电子波函数性质 （2）RKKY作用 铁磁或反铁磁态←交换作用的振荡 ←f 电子自旋之间，通过s 电子间接交换作用 ← f 电子局域波函数＋ s 电子平面波波函数 振荡周期决定于 s电子Fermi波长 铁磁金属量子阱 FM/NM/FM中，铁磁层间的振荡耦合 铁磁FM层之间的耦合能量，随非磁层厚度增加而振荡 振荡周期（波矢）为 （与自由电子气比较） 各种3d、4d金属的结果相近？ 11—12A 反铁磁金属量子阱AFM/NM /AFM 蔡健旺等NiFe/ FeMn/ Cu / FeMn 困难： 反铁磁体的 “磁化特性” 方法： 交换偏置表征 振荡周期： 加倍（21A) 第二次（11月10日） 上一次 的 内容 （1）FM/NM多层膜中， 相邻FM层之间的耦合 随NM层厚度变化→振荡衰减 （2）单层厚度为若干纳米 （3）NM层中电子处于“磁性量子阱” 关于上述（2），多层膜中单层膜厚度 t 的限制金属：t（≈2nm ）《 λ(≈20nm)《 Ls (≈200nm）  a，增大分子。需远小于自旋弛豫长度。两流体近似。 b，减小分母。需远小于平均自由程。弹性散射。 *平均自由程λ（10－30纳米） 自旋弛豫长度Ls（100－500纳米） 巨磁电阻（GMR）效应 Fert （1988） Fe/Cr 超晶格！ Grunberg （1986） 相邻磁矩反铁磁排列 MBE优质材料 反平行---高电阻态 平行---低电阻态 Mott两流体模型 (1) N.H.Mott,Proc.Roy.Soc. A153,699(1936) 近似：电子与（热激发）自旋波散射可以忽略， （无自旋翻转） 只考虑电子与磁性离子自旋间的散射。 （s－d散射） 约定：与磁矩同方向的电子处于主要子带（majority） 相反方向自旋电子处于次要子带（minority） 两流体模型（2） 散射过程中没有自旋反转－－理想的假设 S↓ 电子 被d ↓(minority )电子散射，对电导贡献小 ( d ↓有效质量太大) S↑电子未被d ↑（ majority ）电子散射，对电导贡献大 （d ↑在Fermi面没有状态) 结果： 电导的自旋相关因子 Mott模型和GMR效应（2） 按Mott模型（看上图） 1，电子自旋与所在层磁矩 相同时， s电子与（Majority）d 电子散射弱， 电子自旋与所在层磁矩 相反时， s电子与（Minority）d 电子散射强。 Mott模型和GMR效应（3） 2，如果，平均自由程