低温固态物理第五章-“磁电阻效应”.pdf

第五章磁电阻效应第五章磁电阻效应 近几年 以近几年 以磁电子磁电子或或自旋电子自旋电子作为关键词的文章频频 出现在国际顶尖的刊物上 基于磁电子材料研制的自旋 阀被认为是2002年度国际十大成果之一 基于多学科 作为关键词的文章频频 出现在国际顶尖的刊物上 基于磁电子材料研制的自旋 阀被认为是2002年度国际十大成果之一 基于多学科 凝 聚态物理 电子学 信息科学 材料科学和纳米科技 凝 聚态物理 电子学 信息科学 材料科学和纳米科技 的 交叉 一门崭新的学科 磁电子学已初见端倪 并因在 磁传感器 磁记录及信息存储和处理等领域显示出广阔 的应用前景而备受关注 的 交叉 一门崭新的学科 磁电子学已初见端倪 并因在 磁传感器 磁记录及信息存储和处理等领域显示出广阔 的应用前景而备受关注 5 1 引言 5 1 引言 传统电子学或半导体电子学 其基本 原理是 以电子的电荷作为输运载 体 借助电场操纵电荷以调制材料中 的导电行为 传统电子学或半导体电子学 其基本 原理是 以电子的电荷作为输运载 体 借助电场操纵电荷以调制材料中 的导电行为 电子器件的小型化 电路芯片的大容量或存储信息的 高密度化推动传统电子学向微电子学发展 电子器件的小型化 电路芯片的大容量或存储信息的 高密度化推动传统电子学向微电子学发展 目前超大规模集成电路芯片的线宽 130纳米 估计 在今后15至20年内 线宽将减小至10纳米左右 目前超大规模集成电路芯片的线宽 130纳米 估计 在今后15至20年内 线宽将减小至10纳米左右 问题问题 微电子器件能否无 限地被小型化 微电子器件能否无 限地被小型化 Moore 第一定律第一定律 芯片容量每三 年增加4倍 芯片容量每三 年增加4倍 电子电荷属性电子电荷属性 在数十纳米量级PN 结无法形成 二极管 三极管 也就无法正常工作 在数十纳米量级PN 结无法形成 二极管 三极管 也就无法正常工作 当源 漏极间沟道长度减小到数十纳米以后 场 强迅速增加 电子在强电场的作用下将使器件雪崩 击穿 因此场效应晶体管也将无法正常工作 当源 漏极间沟道长度减小到数十纳米以后 场 强迅速增加 电子在强电场的作用下将使器件雪崩 击穿 因此场效应晶体管也将无法正常工作 随着器件密度的提高 单位面积的发热将变得异 常巨大 据估计芯片每平方厘米每秒钟的发热量将 相当于发射一颗子弹 随着器件密度的提高 单位面积的发热将变得异 常巨大 据估计芯片每平方厘米每秒钟的发热量将 相当于发射一颗子弹 器件尺寸的小型化 将逐渐步入所谓的受介观体 系物理支配的领域 呈现一系列量子相干效应 从而导致某些经典物理定律的失效 器件尺寸的小型化 将逐渐步入所谓的受介观体 系物理支配的领域 呈现一系列量子相干效应 从而导致某些经典物理定律的失效 成本成本 Moore 第二定律第二定律 集成电路的加工 费每三年增加2 倍的速率增大 集成电路的加工 费每三年增加2 倍的速率增大 经济上大到无法 承受的程度 经济上大到无法 承受的程度 工艺工艺 物理物理 电子电子 存储器存储器 微电子器件微电子器件 自旋自旋 电荷电荷 半导体半导体 铁磁性材料铁磁性材料 现代信息技术现代信息技术 1921年 年 斯特恩 盖拉赫实验斯特恩 盖拉赫实验揭示出电子具有自旋的内揭示出电子具有自旋的内 禀属性禀属性 利用电子利用电子自旋 磁矩 可自旋 磁矩 可做成各类存储器做成各类存储器 电子自旋属性电子自旋属性 20世纪物理或器件的研制多数情况下是将20世纪物理或器件的研制多数情况下是将 电荷和自旋这两个属性分开考虑电荷和自旋这两个属性分开考虑 磁电子磁电子 磁有序 磁有序 自旋自旋 电子输运 电子输运 电荷电荷 磁场磁场 20世纪物理或器件的研制 多数情况下是将电荷和自 旋这两个属性分开考虑 20世纪物理或器件的研制 多数情况下是将电荷和自 旋这两个属性分开考虑 控制和利用控制和利用 随微电子器件小型化所带 来的严重问题 人们自然 会提出可否对电子的电荷 和自旋同时控制和利用 借助磁场在操纵自旋相对 取向的同时也调制了系统 的导电行为 从而达到对 电子电荷和自旋的同时控 制和利用 磁电子材料在电子自旋和 电荷间存在强的关联性 随微电子器件小型化所带 来的严重问题 人们自然 会提出可否对电子的电荷 和自旋同时控制和利用 借助磁场在操纵自旋相对 取向的同时也调制了系统 的导电行为 从而达到对 电子电荷和自旋的同时控 制和利用 磁电子材料在电子自旋和 电荷间存在强的关联性 触发了磁电子学或 自旋电子学的诞生 触发了磁电子学或 自旋电子学的诞生 磁电阻效应磁电阻效应指的是外加磁场引起材料电阻的变化指的是外加磁场引起材料电阻的变化 100 0 0 T HT H MR T H 加磁场的电阻率不加磁场时的电阻率加磁场的电阻率不加磁场时的电阻率 5 2 磁电阻效应 5 2 磁电阻效应 agnetoresistance effect 简称简称MR 历史上 历史上 MR值仅为值仅为1 3 的磁电阻曾经在 磁记录和传感器等领域取得过辉煌的成就 的磁电阻曾经在 磁记录和传感器等领域取得过辉煌的成就 磁电阻种类磁电阻种类 OMR 与洛伦兹力有关的 与洛伦兹力有关的正常磁电阻正常磁电阻 Ordinary MR AMR 与技术磁化相联系的 与技术磁化相联系的各向异性磁电阻各向异性磁电阻 Anisotropic MR CMR 锰基钙钛矿氧化物中 锰基钙钛矿氧化物中庞磁电阻庞磁电阻 colossal MR GMR 磁性多层膜中 磁性多层膜中自旋散射有关的巨磁电阻自旋散射有关的巨磁电阻 Giant MR TMR 磁性多层膜中 磁性多层膜中隧穿有关的磁电阻隧穿有关的磁电阻 Tunnel MR 从大小和产生机理的不同可分为从大小和产生机理的不同可分为 自旋相关自旋相关 电荷相关电荷相关 磁电子学诞磁电子学诞生生 SMR 自旋散射有关的 自旋散射有关的磁电阻磁电阻 Spin dependent MR 特点特点 存在于所有的导体中存在于所有的导体中 反映的是电子的电荷特性而与自旋无关反映的是电子的电荷特性而与自旋无关 磁场引起导体电阻的增加 即磁场引起导体电阻的增加 即MR 0 R 0 0H T B2 1 01 5 3 正常磁电阻 5 3 正常磁电阻 两种两种 情况情况 若费米面为球形 且参与导电的电子来自同一能带 在这种情况若费米面为球形 且参与导电的电子来自同一能带 在这种情况 下 不会出现磁电阻效应 因为电子感受到的洛伦玆力为霍尔力下 不会出现磁电阻效应 因为电子感受到的洛伦玆力为霍尔力 所抵消 不会出现因洛伦玆力的作用而使其运动轨迹发生改变 所抵消 不会出现因洛伦玆力的作用而使其运动轨迹发生改变 电子速度 有效质量与方向和能量有电子速度 有效质量与方向和能量有 关 因此 仅部分电子的运动满足洛关 因此 仅部分电子的运动满足洛 伦玆力与霍尔场力的平衡 而其余的伦玆力与霍尔场力的平衡 而其余的 电子因洛伦玆力作用使得运动轨迹发电子因洛伦玆力作用使得运动轨迹发 生偏转 在这种情况下 磁场引起电生偏转 在这种情况下 磁场引起电 阻的增加 且没有饱和现象 阻的增加 且没有饱和现象 情况一情况一 费米面非严格球形费米面非严格球形 洛伦玆力的作用使得电子运动轨迹发生偏转洛伦玆力的作用使得电子运动轨迹发生偏转起因起因 参与导电的电子来自不同的能带参与导电的电子来自不同的能带情况二情况二 例如 参与导电的电子来自两个能带 这样 就有两组不同有效质量和不同速度的载流子 例如 参与导电的电子来自两个能带 这样 就有两组不同有效质量和不同速度的载流子 在这种情况下 不会出现洛伦玆力与霍尔场力相抵 消的情况 其结果是 外加磁场下 电子因洛伦玆 力作用而发生运动轨迹的偏转 引起电阻增加 在这种情况下 不会出现洛伦玆力与霍尔场力相抵 消的情况 其结果是 外加磁场下 电子因洛伦玆 力作用而发生运动轨迹的偏转 引起电阻增加 2 1020 1 1222 1020 cc MR 0 总是 两带模型给出两带模型给出 ci B 由于而由于而 2 1 122 cc MR 2 MRB 0 MRF B 由于由于MR仅为 的函数 而仅为 的函数 而 0 1 B 因此因此MR仅仅是的函数 即仅仅是的函数 即 0 B 0 存在于磁性金属如存在于磁性金属如Fe Co Ni及其合金中及其合金中 0H T 0 1 1 R 1 2 3 1857年由年由Thomson在在 铁磁多晶体中发现铁磁多晶体中发现 5 4 各向异性磁电阻 5 4 各向异性磁电阻 磁电阻依赖于磁化和电流之间的相对取向磁电阻依赖于磁化和电流之间的相对取向 特点特点 起因起因 导电电子的自旋和它在磁场中运动轨道之间存在导电电子的自旋和它在磁场中运动轨道之间存在 相互作用 样品的磁化破坏了电子云 因此改变相互作用 样品的磁化破坏了电子云 因此改变 了电子自旋与轨道的散射 导致了各向异性导电了电子自旋与轨道的散射 导致了各向异性导电 2 cos 0 HH 其中其中 为电流相对于磁化方向的夹角为电流相对于磁化方向的夹角 可见 电流平行于磁化方向的电阻率可见 电流平行于磁化方向的电阻率 0 不同于电流垂直于磁不同于电流垂直于磁化化方方向向的的电电阻阻率率 2 规律规律 坡莫合金坡莫合金 0 3 用于录音机和摄 用于录音机和摄 像机的记录磁头像机的记录磁头 5 5 自旋散射有关的磁电阻自旋散射有关的磁电阻自旋散射有关的磁电阻自旋散射有关的磁电阻 非磁金属非磁金属 电导率电导率 费米面附近电子 散射的驰豫时间 费米面附近电子 散射的驰豫时间 散射矩阵元的绝对值 费米面能态密度 散射矩阵元的绝对值 费米面能态密度 明显地 式中的物理量均与电子自旋是无关的明显地 式中的物理量均与电子自旋是无关的 2 mne 2 1 F lVg E 因此 在非磁性金属中 电子的输运与电子的自旋无关因此 在非磁性金属中 电子的输运与电子的自旋无关 铁磁金属铁磁金属 通常定义自旋极化度为通常定义自旋极化度为 N N P N N N N P N N N 和 和N 分别表示自旋向上和向 下的电子数 分别表示自旋向上和向 下的电子数 D 和 和D 分别表示 自旋向上和向下子带的态密度 分别表示 自旋向上和向下子带的态密度 材料材料Ni Co Fe Ni80Fe20Co50Fe50Co84Fe16 自旋极化度自旋极化度 33 45 44 48 51 49 例如例如 当温度低于居里温度时 交 换作用使得能带劈列成自旋 向上和自旋向下的两个子带 当温度低于居里温度时 交 换作用使得能带劈列成自旋 向上和自旋向下的两个子带 D D D P D D P D 或或 EF U 电导率电导率电导率电导率 2 enm 1 2 F EgVl 由于能带中的电子浓度 有效质量 散射的驰豫时间 电 子运动的平均自由程以及费米面附近的电子态密度均与电 子自旋的取向有关 因此 在过渡族金属及其合金中的电 阻率应与电子自旋的取向有关 由于能带中的电子浓度 有效质量 散射的驰豫时间 电 子运动的平均自由程以及费米面附近的电子态密度均与电 子自旋的取向有关 因此 在过渡族金属及其合金中的电 阻率应与电子自旋的取向有关 高阻态 自旋取向无序 低阻态 自旋铁磁性取向高阻态 自旋取向无序 低阻态 自旋铁磁性取向 磁场可部分引起自旋铁磁性取向 导致电阻率变小 磁场可部分引起自旋铁磁性取向 导致电阻率变小 从而铁磁金属及其合金可表现出负磁电阻效应从而铁磁金属及其合金可表现出负磁电阻效应 在以在以 5 5 巨磁电阻 5 5 巨磁电阻 铁 磁 金 属 铁 磁 金 属 铁 磁 金 属 铁 磁 金 属 非 磁 金 属 层 非 磁 金 属 层 Giant magnetoresistance简称简称GMR 三明治为基本结构单元的多层膜中观 察到 三明治为基本结构单元的多层膜中观 察到 20 30 的磁电阻 远高于当 时已有的磁电阻 为区别起见 人们 将如此大的磁电阻称之为 的磁电阻 远高于当 时已有的磁电阻 为区别起见 人们 将如此大的磁电阻称之为巨磁电阻巨磁电阻 1986年德国Grunberg教授首先在Fe Cr Fe多层膜中观察 到有交换作用且当Cr的厚度适当时观察到反铁磁层间藕合 1986年德国Grunberg教授首先在Fe Cr Fe多层膜中观察 到有交换作用且当Cr的厚度适当时观察到反铁磁层间藕合 重 要 的 发 展 过 程 重 要 的 发 展 过 程 随后发现 金属多层膜中铁磁金属间不仅存在耦合 而且 随中间层厚度的变化耦合既可能是铁磁的也可能是反铁磁 的 呈现周期性振荡 振荡周期约为1nm 随后发现 金属多层膜中铁磁金属间不仅存在耦合 而且 随中间层厚度的变化耦合既可能是铁磁的也可能是反铁磁 的 呈现周期性振荡 振荡周期约为1nm 巨 磁 电 阻 巨 磁 电 阻 1988年法国Fert小组在 Fe Cr 周期性多层膜中观察到外加 磁场引起电阻下降变化率高达50 第一次出现GMR名词 1988年法国Fert小组在 Fe Cr 周期性多层膜中观察到外加 磁场引起电阻下降变化率高达50 第一次出现GMR名词 重 要 的 发 展 过 程 重 要 的 发 展 过 程 20世纪90年代 人们在Fe Cu Fe Al Fe Al Fe Au Co Cu Co Ag和Co Au 等多层膜中观察到更高的GMR 而且 随中间层厚度的变化最大MR值呈现周期性振荡 振荡周期 和行为非常接近多层膜中的磁耦合振荡 20世纪90年代 人们在Fe Cu Fe Al Fe Al Fe Au Co Cu Co Ag和Co Au 等多层膜中观察到更高的GMR 而且 随中间层厚度的变化最大MR值呈现周期性振荡 振荡周期 和行为非常接近多层膜中的磁耦合振荡 1994年IBM公司基于GMR成功研制出读出磁头 将磁盘记录 密度提高了17倍 达 1994年IBM公司基于GMR成功研制出读出磁头 将磁盘记录 密度提高了17倍 达5Gbit in2 目前的报道为11 目前的报道为11Gbit in2 从而在与光盘竞争中磁盘重新处于领先地位 从而在与光盘竞争中磁盘重新处于领先地位 特点特点 MR幅值巨大幅值巨大 负磁电阻效应 即负磁电阻效应 即 各向同性各向同性 0MR 正常金属和铁磁合金正常金属和铁磁合金MR约为百分 之几 而 约为百分 之几 而Fe Gr多层膜多层膜MR高达高达50 MR与与I和和H的相对取向无关或基本无关的相对取向无关或基本无关 层间交换耦合能层间交换耦合能 FM1FM2 NM M1 M2 考虑两铁磁金属FM1和FM2考虑两铁磁金属FM1和FM2 中间夹有非磁金属NM中间夹有非磁金属NM 假设FM1的磁化强度为M假设FM1的磁化强度为M1 1 其磁矩取向如箭头所示 其磁矩取向如箭头所示 FM2的磁化强度为MFM2的磁化强度为M2 2 其磁 矩取向如箭头所示 其磁 矩取向如箭头所示 两者之间的夹角为 两者之间的夹角为 FM1FM2 NM M1 M2 因为FM和NM都是金属 故存在大量传 导电子 它们处于整个系统内的运动 状态中 因为FM和NM都是金属 故存在大量传 导电子 它们处于整个系统内的运动 状态中 以以 m 表示某个传导电子的自旋磁 矩 当它位于FM1时会受到由 表示某个传导电子的自旋磁 矩 当它位于FM1时会受到由 M M1 1形 成的分子场的作用 作 用能为 形 成的分子场的作用 作 用能为 111 hM 1 m h i i 根据能量最小原理可知 当根据能量最小原理可知 当m处于 FM1时 其平均值 处于 FM1时 其平均值1平行于平行于h1 从 而平行于 从 而平行于M M1 1 当 它 经 由 NM 运 动 到 FM2 中 则到达时 当 它 经 由 NM 运 动 到 FM2 中 则到达时1方向不 变但大小将会变化 设其 变为 方向不 变但大小将会变化 设其 变为12 1 m 12 m 222 hM 这这12又会与又会与FM2中的分子场 发生作用 作用能为 中的分子场 发生作用 作用能为 2 12 mh i i cos 同样当电子从FM2运动到FM1时也 会产生作用能 同样当电子从FM2运动到FM1时也 会产生作用能 2 21 cosmh i i 所有这样的作用能之和与 膜面积之比称之为层间交 换耦合能 记为E 所有这样的作用能之和与 膜面积之比称之为层间交 换耦合能 记为E 1 cosEJ 12 1 12 MM J MM i i FM1FM2 NM M1 M2 层间交换耦合能层间交换耦合能 1 cosEJ 决定磁构型 即两铁磁 体磁矩取向 的能量项 决定磁构型 即两铁磁 体磁矩取向 的能量项 J1 0 J1 0 0 即两铁磁体磁矩平行 时E 最低 即磁构型为 铁磁型的 FM 0 即两铁磁体磁矩平行 时E 最低 即磁构型为 铁磁型的 FM 即两铁磁体磁矩反 平行时E 最低 即磁构 型为反铁磁型的 AFM 即两铁磁体磁矩反 平行时E 最低 即磁构 型为反铁磁型的 AFM J1是中间层厚度的函数 即是中间层厚度的函数 即 11 JJ d J1的幅值随厚度增加而衰减 J 的幅值随厚度增加而衰减 J1 1的符号随厚度按正 负交替 变化 变化周期为 1nm 的符号随厚度按正 负交替 变化 变化周期为 1nm 其物理起因至今尚未有共识其物理起因至今尚未有共识 两种载流子 自旋向上和自旋向下电子 分别独立地承载电流两种载流子 自旋向上和自旋向下电子 分别独立地承载电流 GMR的起因的起因 迄今 比较令人接受的涉及 效应起 因的模型是基于电子自旋有关散射提出的 迄今 比较令人接受的涉及 效应起 因的模型是基于电子自旋有关散射提出的 交换作用使得能带自旋向上和自旋向下的两个子带交换作用使得能带自旋向上和自旋向下的两个子带 自旋与磁化方向平行的电子传输过程中 散射小 而反平行的电子受到的散射大 自旋与磁化方向平行的电子传输过程中 散射小 而反平行的电子受到的散射大 未加磁场未加磁场 两铁磁金属的磁矩反平行 两铁磁金属的磁矩反平行 AFM磁构型磁构型 外加磁场外加磁场 磁场使得 减小 当超过饱和场时 两铁磁金 属的磁矩变成平行取向 磁场使得 减小 当超过饱和场时 两铁磁金 属的磁矩变成平行取向 FM磁构型磁构型 0 薄膜中的磁矩方向薄膜中的磁矩方向电子自旋方向电子自旋方向 FM NM FM 4RRR 总电阻为两者的并联 总电阻为两者的并联 未加磁场未加磁场 AFM磁构型磁构型 考虑其中之一的铁磁金属膜 自旋与磁化方向平行的电子传输 过程中不受散射 而反平行的电子将受到散射 假设自旋向上 和向下的电子通道的电阻分别为 考虑其中之一的铁磁金属膜 自旋与磁化方向平行的电子传输 过程中不受散射 而反平行的电子将受到散射 假设自旋向上 和向下的电子通道的电阻分别为R 和 和R 则两种通道的电阻 近似为它们的平均 即 则两种通道的电阻 近似为它们的平均 即 R R R R 2 2 同理对另外一铁磁金属膜 电阻为同理对另外一铁磁金属膜 电阻为 R R R R 2 2 薄膜中的磁矩方向薄膜中的磁矩方向电子自旋方向电子自旋方向 FM NM FM 当加了外磁场后 两个相邻铁磁层磁化方向相互平行当加了外磁场后 两个相邻铁磁层磁化方向相互平行 0 RR RRR 外加磁场外加磁场 FM磁构型磁构型 自旋和磁化方向平行的电子散射小 低阻状态 而自旋与 磁化反平行的电子散射大 高阻状态 总电阻是它们的并 联 即 自旋和磁化方向平行的电子散射小 低阻状态 而自旋与 磁化反平行的电子散射大 高阻状态 总电阻是它们的并 联 即 0 0 R HR MR R 得到得到 22 MRRRRR 0 MR 由由 令令 描述散射的自旋依赖性描述散射的自旋依赖性 RR 则有则有 22 1 1 MR 可见可见 一般情况下 很大 一般情况下 很大 MR高达百分之几十 特别当高达百分之几十 特别当 100 MR 0 0 RR R 5 6隧穿磁电阻 5 6隧穿磁电阻 Tunneling magnetoresistance简称简称TMR 隧穿效应隧穿效应 经典 眼前无路好回头经典 眼前无路好回头 0 a V x x V0 入射波入射波 反射 波透射波 反射 波透射波 电子能穿透比它动能更高的势 垒 是因为它具有波动性的特 性 势垒穿透的波动图象如图 电子能穿透比它动能更高的势 垒 是因为它具有波动性的特 性 势垒穿透的波动图象如图 两个导体被一个薄的绝缘层隔开 电子可以借助于隧道机理通过势垒 层从一边到另一边 从而形成可测 量的电流 这一效应称为 两个导体被一个薄的绝缘层隔开 电子可以借助于隧道机理通过势垒 层从一边到另一边 从而形成可测 量的电流 这一效应称为隧穿效应隧穿效应 量子 眼前无路穿着走量子 眼前无路穿着走 2 2 2 mV s e 隧穿几率隧穿几率 在以在以 铁 磁 金 属 铁 磁 金 属 铁 磁 金 属 铁 磁 金 属 绝 缘 层 绝 缘 层 三明治为基本结构单元的多层膜 中观察到与电子在相邻铁磁金属 间隧穿有关的磁电阻效应 称之 为 三明治为基本结构单元的多层膜 中观察到与电子在相邻铁磁金属 间隧穿有关的磁电阻效应 称之 为隧穿磁电阻隧穿磁电阻 隧穿磁电阻隧穿磁电阻 重要的发展过程重要的发展过程 70707070年代初年代初年代初年代初 TedrowTedrowTedrowTedrow和和和和MeservyMeservyMeservyMeservy利用利用利用利用 超导体超导体超导体超导体 非磁绝缘体非磁绝缘体非磁绝缘体非磁绝缘体 铁磁铁磁铁磁铁磁 金属金属金属金属 隧道结隧道结隧道结隧道结验证了隧穿电流是自旋极化的验证了隧穿电流是自旋极化的验证了隧穿电流是自旋极化的验证了隧穿电流是自旋极化的 4 4 4 4年后年后年后年后SlonczewskiSlonczewskiSlonczewskiSlonczewski提出 以铁磁金属取代超导体提出 以铁磁金属取代超导体提出 以铁磁金属取代超导体提出 以铁磁金属取代超导体 当两铁磁层当两铁磁层当两铁磁层当两铁磁层 磁化方向平行和反平行时 磁化方向平行和反平行时 磁化方向平行和反平行时 磁化方向平行和反平行时 FM I FMFM I FMFM I FMFM I FM隧道结具有不同的电阻值隧道结具有不同的电阻值隧道结具有不同的电阻值隧道结具有不同的电阻值 1975197519751975年年年年JulliereJulliereJulliereJulliere在在在在Fe Fe Fe Fe GeGeGeGe Co Co Co Co隧道结中观察到隧穿有关的磁电隧道结中观察到隧穿有关的磁电隧道结中观察到隧穿有关的磁电隧道结中观察到隧穿有关的磁电 阻现象 但室温磁电阻阻现象 但室温磁电阻阻现象 但室温磁电阻阻现象 但室温磁电阻低于低于低于低于1 1 1 1 没有引起人们的兴趣 没有引起人们的兴趣 没有引起人们的兴趣 没有引起人们的兴趣 1995199519951995年年年年MooderaMooderaMooderaMoodera等在等在等在等在FM I FMFM I FMFM I FMFM I FM中观察超过中观察超过中观察超过中观察超过10 10 10 10 的磁电阻的磁电阻的磁电阻的磁电阻 1998199819981998年年年年MooderaMooderaMooderaMoodera等在等在等在等在Co AlCo AlCo AlCo Al 2 2 2 2O O O O3 3 3 3 Ni Ni Ni Ni80 808080Fe FeFeFe20 202020中在 中在中在中在295 77295 77295 77295 77和和和和4 2K4 2K4 2K4 2K时时时时 分别观察到分别观察到分别观察到分别观察到20 2 27 120 2 27 120 2 27 120 2 27 1和和和和27 327 327 327 3 的隧道磁电阻 的隧道磁电阻 的隧道磁电阻 的隧道磁电阻 TMR的唯象模型的唯象模型 FM1FM2 NI M1 M2 考虑两铁磁金属FM1和FM2中间夹有非 磁绝缘体NI 两铁磁层的磁化强度分别 为M 考虑两铁磁金属FM1和FM2中间夹有非 磁绝缘体NI 两铁磁层的磁化强度分别 为M1 1和M和M2 2 外加磁场使得两铁磁层的磁矩趋向于外加磁场方向 此时两铁 磁层的磁矩间的夹角为 当磁场超过饱和场 两铁磁层的磁 化平行取向 对应于 外加磁场使得两铁磁层的磁矩趋向于外加磁场方向 此时两铁 磁层的磁矩间的夹角为 当磁场超过饱和场 两铁磁层的磁 化平行取向 对应于FM磁构型磁构型 0 的情况的情况 未加磁场时 两磁矩反平行取向 对 应于AFM磁构型 的情况 未加磁场时 两磁矩反平行取向 对 应于AFM磁构型 的情况 按照磁电阻的定义 则有按照磁电阻的定义 则有 0 0 R HR MR R 0 0 RR R 两种载流子 来自自旋向上子带的电 子和来自自旋向下子带的电子均参与 对电子输运的贡献 两种载流子 来自自旋向上子带的电 子和来自自旋向下子带的电子均参与 对电子输运的贡献 由于电子自旋驰豫长度由于电子自旋驰豫长度 零点几至几十 微米 零点几至几十 微米 远大于电子平均自由程远大于电子平均自由程 几至几 十纳米 几至几 十纳米 因此可基于二电流模型来处 理上述的电子输运问题 因此可基于二电流模型来处 理上述的电子输运问题 二 电 流 模 型 二 电 流 模 型 将电子区分为自旋向上和自旋向下将电子区分为自旋向上和自旋向下将电子区分为自旋向上和自旋向下将电子区分为自旋向上和自旋向下 两部分 当考虑电子输运时 自旋两部分 当考虑电子输运时 自旋两部分 当考虑电子输运时 自旋两部分 当考虑电子输运时 自旋 向上电子形成一电流通道 电阻记向上电子形成一电流通道 电阻记向上电子形成一电流通道 电阻记向上电子形成一电流通道 电阻记 为为为为R R R R 自旋向下的电子形成另一电 自旋向下的电子形成另一电 自旋向下的电子形成另一电 自旋向下的电子形成另一电 流通道 电阻记为流通道 电阻记为流通道 电阻记为流通道 电阻记为R R R R 总电阻总电阻总电阻总电阻R R R R是两是两是两是两 者的并联 即者的并联 即者的并联 即者的并联 即111 RRR 铁磁材料中由于交换作用使得能带劈 列成自旋向上和自旋向下的两个子带 铁磁材料中由于交换作用使得能带劈 列成自旋向上和自旋向下的两个子带 FM 1 FM 2 NI M1 M2 N EF U 无外加电场时 两无外加电场时 两FM中的费米能相 等 而 中的费米能相 等 而NI中的势垒可设为矩型中的势垒可设为矩型 垂直于膜面方向加上电压垂直于膜面方向加上电压V 因因NI的电阻远高于的电阻远高于FM的 故电 压主要加在 的 故电 压主要加在NI上 使得势垒成 为梯型 上 使得势垒成 为梯型 FM2的费米能相对于的费米能相对于 FM1下降了下降了eV M2 FM 1 FM 2 NI M1 1 F E 2 F E 1 F E 2 F E eV 1 F E 2 F E eV 在电场作用下 在电场作用下 FM1中能量处于中能量处于 EF 1 EF 1 eV 间隔的电子间隔的电子 E 借助量子力学隧穿机理而穿过 势垒到达 借助量子力学隧穿机理而穿过 势垒到达FM2 填充到 填充到FM2中居 于 中居 于 EF 2 E EF 2 范围的能级 范围的能级 E由测不准原理确定由测不准原理确定 然后 这部分隧穿过来的电子 通过释放焦耳热的形式而降到 费米能 然后 这部分隧穿过来的电子 通过释放焦耳热的形式而降到 费米能EF 2 先考虑外加高于饱和场的磁场 以至于 先考虑外加高于饱和场的磁场 以至于 0的情况的情况 假设隧穿过程中自旋方向不变 则位于FM1中的自旋向上电子 隧穿到FM2中其自旋仍向上 同样 位于FM1中的自旋向下电子 隧穿到FM2中其自旋仍向下 假设隧穿过程中自旋方向不变 则位于FM1中的自旋向上电子 隧穿到FM2中其自旋仍向上 同样 位于FM1中的自旋向下电子 隧穿到FM2中其自旋仍向下 自旋向上电子的隧穿数自旋向上电子的隧穿数 FM1中自旋向上电子的占据数 FM1中自旋向上电子的占据数 FM2中自旋向上的空态数 FM2中自旋向上的空态数 12 VQD D eE 1 1 11 F F E EeV 1中自旋向上电子数1中自旋向上电子数D dED eV 2 2 22 F F EE E 2中自旋向上空态数2中自旋向上空态数D dEDE 同理自旋向下电子的隧穿数同理自旋向下电子的隧穿数 12 VQD D eE 焦耳能耗功率焦耳能耗功率W 0 W 0 隧穿电子数隧穿电子数 eV 2 1212 D DD DVa 未加磁场 相当于 未加磁场 相当于 的情况 的情况 基于上面类似的分析得到基于上面类似的分析得到 焦耳能耗功率焦耳能耗功率W W 2 1212 D DD DVa 根据W V根据W V2 2 R关系可确 定两种情况下的电阻 R关系可确 定两种情况下的电阻 1 1212 0 RD DaD D 1 1212 RD DD Da 11 12121212 1 1212 D DD DD DD D MR D DD D ii i ii DD P DD 根据自旋极 化度的定义 根据自旋极 化度的定义 整理后得到整理后得到 12 12 2 1 P P MR P P 同种 材料 同种 材料 2 2 2 1 P MR P 磁电阻是负的 且其大 小与自旋极化度相关 磁电阻是负的 且其大 小与自旋极化度相关 由磁电阻 定义得到 由磁电阻 定义得到 Ni P 11 MR 2 4 若若P 50 MR 40 若若P 100 MR 100 例 如 例 如 表 明 表 明 colossal colossal magnetoresistancemagnetoresistance简称简称简称简称MRMR CMRCMR的发展历史的发展历史的发展历史的发展历史 20世纪世纪50年代初 年代初 Stanten 和和Jonker成功制备出成功制备出La1 xAxMnO3 A 代表二价碱金属代表二价碱金属 Ca Sr或或Ba 陶瓷样品 当初的动机是为了获 得既具有良好绝缘性又具有好的磁有序的材料 陶瓷样品 当初的动机是为了获 得既具有良好绝缘性又具有好的磁有序的材料 20世纪世纪60年代 有人合成出年代 有人合成出 La Pb MnO3单晶单晶 并在单晶 样品上证实了亚锰酸盐系统的 并在单晶 样品上证实了亚锰酸盐系统的异常磁电阻效应异常磁电阻效应异常磁电阻效应异常磁电阻效应 1989年 年 Kuster等发现等发现Nd0 5Pb0 5MnO3样品在强磁场 样品在强磁场 180K 左右具有左右具有很大很大的磁电阻效应的磁电阻效应 1993年 年 Chahara等在等在La0 72Ca0 25MnOx薄膜中约薄膜中约220K时获得时获得5050 的磁电阻效应的磁电阻效应的磁电阻效应的磁电阻效应 5 7庞磁电阻 5 7庞磁电阻 随后的实验研究表明 这类材料确实具有良好的铁磁性质 但 不是绝缘体材料 而是导电性能非常好的金属材料 为了解释 这一低温下同时具有铁磁和金属导电的性质 随后的实验研究表明 这类材料确实具有良好的铁磁性质 但 不是绝缘体材料 而是导电性能非常好的金属材料 为了解释 这一低温下同时具有铁磁和金属导电的性质 Zener提出双交换 机理 提出双交换 机理 几乎同时几乎同时Helmolt等制备出等制备出La2 3Ca1 2MnOx铁磁薄膜 室温下 本征磁电阻可达到 铁磁薄膜 室温下 本征磁电阻可达到6060 超过了磁性多层膜的磁电阻效应超过了磁性多层膜的磁电阻效应 紧接着 紧接着 紧接着 紧接着 JinJin等在等在等在等在LaLa0 67 0 67Ca Ca0 33 0 33MnO MnO 3 3 薄膜样品中观察到薄膜样品中观察到薄膜样品中观察到薄膜样品中观察到127000127000 的磁电的磁电的磁电的磁电 阻 揭开了深入研究阻 揭开了深入研究阻 揭开了深入研究阻 揭开了深入研究CMRCMR锰氧化物的序幕锰氧化物的序幕锰氧化物的序幕锰氧化物的序幕 庞磁电阻庞磁电阻庞磁电阻庞磁电阻colossal MRcolossal MR 100 0 T HT H MR T H 锰基钙钛矿的性质锰基钙钛矿的性质 1 化学式化学式 13xx REAE MnO 三价的稀土金属元素三价的稀土金属元素 如 如 333 33 PrLaNd SmBi 二价的碱土金属元素二价的碱土金属元素 2 2 2 2 SrCa BaPb 如 如 这些化合物通常都是由演变而来这些化合物通常都是由演变而来 3 AMnO 为三价稀土元素 为三价稀土元素 A位置掺杂不同的离子位置掺杂不同的离子 2 钙钛矿型锰氧化物的晶体结构钙钛矿型锰氧化物的晶体结构 A O Mn O 2 r r 当它在当它在0 75 1之间时 才能 形成 之间时 才能 形成稳定的结构稳定的结构 公差因子 公差因子 Re M O Mn ABOABO3 3型钙钛矿结构型钙钛矿结构 3 3 掺杂锰氧化物的电子结构掺杂锰氧化物的电子结构掺杂锰氧化物的电子结构掺杂锰氧化物的电子结构 4 Mn 3 Mn 强洪特耦合 使得自旋量子数取最大值强洪特耦合 使得自旋量子数取最大值强洪特耦合 使得自旋量子数取最大值强洪特耦合 使得自旋量子数取最大值 3 Mn 总自旋总自旋总自旋总自旋S 2S 2 31 2gg te 4 Mn 3 2g t 总自旋总自旋总自旋总自旋S 3 2S 3 2 晶体场作用晶体场作用 J T效应J T效应 4 4 磁和电子输运实验磁和电子输运实验磁和电子输运实验磁和电子输运实验 同时同时磁性质也发生了磁性质也发生了顺磁一铁磁相变顺磁一铁磁相变 在在高于铁磁居里点高于铁磁居里点Tc的温 度下 电阻率随温度降低 而增大 的温 度下 电阻率随温度降低 而增大 d dT0 绝缘体行为绝缘体行为绝缘体行为绝缘体行为 金属导电行为金属导电行为金属导电行为金属导电行为 且且两者的相变温度大概相同两者的相变温度大概相同 T 5 CMR效应特点效应特点 CMR效应效应发生发生在钙钛矿锰氧化物材料的在钙钛矿锰氧化物材料的载流子掺杂的特定浓 度 载流子掺杂的特定浓 度区域区域 CMR效应为系统的效应为系统