磁性半导体.doc

磁性半导体中的应用人们对半导体的研究已经超过了整整一个世纪，我们的日常生活也变得和半导体密不可分。可是在这段漫长的时间里，人们对半导体的利用仅仅是操作了其电子电荷自由度，而它的电子自旋自由度似乎一直受到人们的冷落。举一个简单的例子，当我们打开计算机的主机，就会看到计算机的两个关键功能分别通过半导体材料和磁性材料来实现。信息的加工和临时存储靠半导体集成电路进行，操作的是半导体中电子电荷自由度。信息的非挥发性存储由磁性存储器件执行，操作的是磁性材料的电子自旋自由度。半导体自旋电子学(SemiconductorSpintronics)则试图改变这种现代信息处理技术的模式，即操作半导体中的电子自旋自由度或同时操作半导体中的电子自旋和电子电荷两个自由度来进行信息的加工处理和存储。半导体自旋电子学实际上是为满足信息技术的超高速、超宽带和超大容量发展趋势而迅速发展起来的一门新兴前沿学科，它涉及了凝聚态物理、新型材料和半导体器件工艺等多个领域，其目的是实现电子学、光子学和磁学三者的最终融合，从而提升现有器件的功能和开发新一代半导体自旋器件，并利用半导体中的电子自旋构建进行固态量子计算的量子比特。如果半导体自旋电子学研究的目标能够实现，将对未来的信息技术产生深刻的影响，带来巨大的经济效益。下面主要介绍磁性材料的分类的特性以及磁性传感器的结构。磁性材料应用十分广泛，品种繁多，存在以下多种分类方式。按物理性质分类：(1)按静磁特性:即根据静态磁滞回线上的参量，如矫顽力、剩磁等来确定磁性材料的类型。例如：永磁属高矫顽力一类磁性材料；软磁属低矫顽力的一类磁性材料；矩磁属高剩磁、低矫顽力的一类磁性材料；磁记录介质属于中等矫顽力同时，具有高剩磁的一类磁性材料，而磁头却要求低矫顽力、高饱和磁化强度。 (2)按交叉耦合效应：分为磁光、磁热、磁致收缩、旋磁、吸波材料。按反常霍尔效应：分为铁电/铁磁、巨磁阻抗材料等。 (3)按与自旋相关的输运性质:有自旋电子学材料。按化学组成分类：可分为金属(合金)、无机(氧化物)、有机化合物以及其复合磁性材料。按维度分类：可分为纳米(零维、一维、二维)、颗粒膜、非晶、纳米微晶、块体磁性材料。按磁有序结构分类：可分为铁磁、亚铁磁、反铁磁、超顺磁材料.按应用分类：可分为永磁、软磁、磁记录、旋磁、磁致收缩、磁传感器、隐身、磁制冷等材料。按市场的产值来排序。可用下图来表述,其顺序为：磁记录材料、软磁材料、永磁材料。然而其产量却正好是相反的顺序。磁传感器主要指利用固体元件感知与磁有关的物理量的变化而检测出对象的状态和信息的器件。依据其物理效应的不同，磁传感器主要为超导量子干涉仪、磁通门、霍尔元件和磁电阻传感器，以及电磁感应传感器、磁弹性(应力)传感器、温度传感器(利用居里点磁性转变)、磁光效应电流传感器、磁共振弱磁场探测等等。磁电阻传感器始于上个世纪70年代中期，这是人们第一次利用磁性材料的导电特性与其磁化状态的相关性,即各向异性磁电阻(AMR)效应制作的磁传感器。它具有灵敏度高、功耗低、体积小、可靠性高、温度特性好、工作频率高、耐恶劣环境能力强、以及易于与数字电路匹配等优点，很快成为磁传感器家族中的后起之秀。30多年来各向异性磁电阻传感器已发展成一个大家族，如磁性编码器、位移传感器、电子罗盘等，它们广泛应用于工业与民用自动化设备、飞行器与导弹的导航、全球卫星定位、安全检测、探矿等。有关各向异性磁电阻传感器的设计、制作与应用，成都电子科技大学的过璧君教授写过一部专著7进行总结和论述,而种类繁多的各向异性磁电阻传感器产品在美国Honeywell公司网页(http:/www.ssec. /magnetic/index.html)的产品目录可以领略。尽管如此,磁性材料的各向异性磁电阻比值室温下仅3%左右，磁性纳米薄膜“铁磁金属/非磁金属或绝缘体/铁磁金属”的巨磁电阻(GMR)、隧穿磁电阻(TMR)比各向异性磁电阻大一到两个数量级，具有更大的磁场响应范围和更高的磁场灵敏度。此外，AMR薄膜厚度在十几个纳米以上才有效,而巨磁电阻效应与隧穿磁电阻效应涉及的磁性层厚度仅几个纳米，这就使得GMR、TMR元件在更微小的尺度仍不受退磁场的影响，因而具有更高的空间分辨率，本文有关巨磁电阻读出磁头的部分将对此加以进一步述叙；还有一点，各向异性磁电阻取决于磁化方向与电流方向夹角的余弦平方，而巨磁电阻与隧穿磁电阻仅依赖于磁性层之间的磁化方向的相对夹角的余弦，故巨磁电阻效应与隧穿磁电阻效应都是全角度依赖的。可以想见，利用巨磁电阻材料和隧穿磁电阻材料设计制作传感器将是磁电阻传感器的一次革命，其精准度和可靠性都提升到一个前所未有的高度。目前,巨磁电阻(多层膜和自旋阀)传感器正方兴未艾，引领时代风骚;隧穿磁电阻传感器由于其极高的灵敏度也在开发之中。另外，如何在半导体中实现自旋极化载流子的注入、输运、操作、存储和检测等技术也是半导体自旋电子