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一、序言
二、巨磁电阻GMR
三、隧道磁电阻TMR
四、半导体自旋电子
五、MRAM研究进展
自旋
自旋
电子
电荷
自旋
在半导体材料中有电子和空穴两种载流子,利用这两种载流子的输运性质,1947年发明了晶体管,开创了信息时代。
电子通过磁化的铁磁材料,产生自旋极化电子,极化电子有向上和向下的两种载流子,利用自旋向上或向下两种载流子的特性能否做成新的电子器件?更进一步能否利用四种载流子制造电子器件?
电子
一、序言
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1m。
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100m。
室温下自旋扩散长度
钴铁FeNi金银铜铝
自旋向上↑
自旋向下↓-10m
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。
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NiCoFeNi80Fe20Co50Fe50Co84Fe16
自旋极化度(%)334544485149
N↑和N↓分别表示在费密面自旋向上和向下的电子数。
自旋电子学产生的背景:
能在纳米尺度制备多层薄膜;
3d
4s
P=45%
P=100%
微电子工艺能制备亚微米器件;
纳米尺寸下新物理效应的发现;
信息存储发展的需求。
纳米柱器件
GMR=%
例如:
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
自旋极化度
N↑和N↓分别表示在费密面自旋向上和向下的电子数。
↑↑电阻小
↑↓电阻大
隧道磁电阻TMR
自旋电子现象研究进程
二、巨磁电阻GMR
《纳米尺度的效应》
1986年GrunbergFe/Cr/Fe三明治结构中Cr适当厚度产生反铁磁耦合
(1986)2442
(1991)140
Fe
Fe
Cr∼1nm
Fe
Fe
Cr
GMR自旋阀
1990年Shinjo两种不同矫顽力铁磁层的自旋阀结构
1991年Dieny用反铁磁层钉扎一层铁磁层的自旋阀结构
(1991)4774
Si/150ÅNiFe/26ÅCu/150ÅNiFe/150ÅFeMn/20ÅAg
CIP
CPP
能否增加自旋阀磁电阻?CPP;纳米氧化层
1994年Pratt和Levy垂直多层膜的GMR(CPP),比CIP高4倍的变化
(1991)3060--------70(1993)3343
MR=7%
反铁磁层
钉扎铁磁层
自由铁磁层
Si
FeNi15nm
FeNi15nm
FeMn15nm
Ag2nm
MR=%