自旋电子学研究进展(磁学会议).ppt

自旋电子学研究进展 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 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 一 序言 电子在固体中的输运性质 晶体中的电子是在一个具有晶格周期性的等效势场中运动 波动方程解 布洛赫定理 布洛赫函数 在严格的周期性势场下 绝对零度00K 完整的单晶 前进的电子波是完全 透明 的 一旦严格周期性势场被破坏 如 温度升高原子的振动 多晶体晶粒的晶界 晶体中的杂质或缺陷等 电子波受到散射 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1 m 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100 m 室温下自旋扩散长度 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 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 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 巨磁电阻GMR 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 Phys Rev Lett 57 1986 2442 Unguris etal Phys Rev Lett 67 1991 140 Fe Fe Cr 1nm Fe Cr n的R R0磁电阻随周期数n的增加而增大 1988年Baibich等发现 Fe Cr 多层膜的巨磁电阻效应 Phys Rev Lett 61 1988 2472 Parkin etal Phys Rev Lett 64 1990 2304 金属多层膜的巨磁电阻 反铁磁耦合 H 0 R R 随Cr厚度变化的振荡关系 饱和磁场随Cr层厚度变化的振荡关系 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 J Appl Phys 69 1991 4774 Si 150 NiFe 26 Cu 150 NiFe 150 FeMn 20 Ag MR 7 MR 2 2 增加纳米氧化层的自旋阀 Koui etal和Huaietal8th JointMMM IntermagConference2001 R R 15 10 8 GMR的部分应用 硬盘读出磁头GMR隔离器传感器GMR typeMRAM Honeywell公司曾制作出1Mb的MRAM 估计军方是唯一用户 2004年 170Gbit in2 预计不久到1000Gbit in2 最终可能到50Tbit in2 100nm 65Gbit in2 硬磁盘读出头的发展 CourtesyofNVE Compassing GlobalPositionSystems VehicleDetection Navigation RotationalDisplacement PositionSensing CurrentSensing CommunicationProducts通信产品 TheWorldofMagneticSensors 罗盘 全球定位 车辆检测 导航 位置传感器 电流传感器 转动 位移 三 隧道磁电阻TMR 1975年Julliere在Fe Ge Co中发现两铁磁层中磁化平行和反平行的电导变化在4 2K为14 Phys Lett 54A 1975 225 1982年Maekawa等在Ni NiO Ni Fe Co 等发现磁隧道电阻效应 IEEETrans Magn 18 1982 707 J Magn Magn Mater 139 1995 L231 151 1995 403 Fe Cr Fe电阻隧磁场变化 Fe Cr Fe磁滞回线 制备态和热处理后 77K和4 2K X F Hanetall Jpn J Appl Phys 39 2000 L441 2000年TMR达到50 Al2O3为0 8nm TMR 22 TMR 50 制备态 退火态 单晶MgO做底层 相邻铁形成单晶的TMR EurophysLett 52 3 pp 344 350 2000 各向异性的磁隧道电阻 硅基片上的MgO单晶做底层 高取向织构Fe的隧道结TEM的断面像 当电子波矢k逐渐偏离势垒法线方向 电子隧穿几率急剧减小 这就是自旋极化的各向异性起因 MgO单晶势垒的磁隧道效应 w wulfhekelApplphyslettvol78509 2001 1 用MBE制备单晶磁隧道结 Fe 001 MgO 001 5ML Fe 001 STM测量隧道效应 黑线对应灰色区域 虚线对应黑点 较低的隧道势垒 镀上金Au电极层 实验为理论提供条件 2001 1实验结果 Spin dependenttunnelingconductanceofFe MgO FesandwichesW H ButlerPhys Rev B Vol63 054416 2001 1 用第一性原理计算隧道电导和磁电导 小原子是镁 大原子是铁 大原子上的黑球是氧 Fe 100 平行MgO 100 面上的 110 方向 多数电子和少数电子在费米面附近态密度完全不同 结构模型 多数电子和少数电子在费米面附近态密度大体相同 MgO界面附近的Fe在费米面附近的态密度 Fe界面附近的MgO在费米面附近的态密度 计算 计算Fe MgO Fe k 0 隧道态密度TDOS 多数电子 少数电子 磁矩平行 磁矩反平行 对于k 0Fe 100 有四个布洛赫态 一个 1 两重简并态 5 一个 2 在MgO中有不同的衰减 1只在多数电子时在费米面附近有较高态密度 结论 多数电子的隧道电导由对称的 1态决定 由于 1态对多数电子在费米面附近有态密度 对少数电子在费米面附近没有态密度 类似于半金属的能态 因此自旋极化率为100 理论预言TMR可达到1000 相干自旋极化隧穿的Fe MgO Fe隧道结 S YuasaJpnJApplphysvol43L588 2004 4 室温 TMR 88 3x12 m2 超过Al2O3非晶势垒 TMR 70 最大的输出电压380mv 1相当于半金属能带 380mv 88 2004 4实验结果 单晶Fe MgO Fe磁隧道结的TMR Yuasa s etal NatureMater 3 868 871 2004 10 垂直方向 MgO 001 Fe 001 轴 001 方向MgO晶格常数为0 221nm 水平方向 MgO 100 Fe 110 轴 100 方向MgO晶格常数为0 208nm tMgO 1 8nm 隧道结是用MBE技术制备的单晶隧道结 3x3 m2 3x12 m2 Fe 001 MgO 001 Fe 001 单晶MgO 001 基片 MgO厚度tMgO 2 3nm 测试偏压为10mV 低结电阻 RA 300 10k m2 2004 10实验结果 CoFe MgO CoFe磁隧道结的TMR 4K MR 300 室温 MR 220 Parkin S S P etal Nature Mater 3 862 867 2004 用磁控濺射制备的MgO磁隧道 80 x80 m2 三种样品的TMR与退火温度的关系 图中所示为样品的退火温度 TA 3800C TA 3600C TA 3700C 2004 10实验结果 热稳定性可超过4000C 有利于与CMOS配合 MgO 立方晶体 100 织构 CoFe b c c 100 织构 IrMn f c c 100 织构 CoFeB MgO CoFeB磁隧道结的TMR Djayaprawira etal Applphys lett 86 092502 2005 退火温度TA 3600C 2h H 8kOe 採用磁控濺射技术制备MTJ 1 mx1 m MgO用射频rf濺射制备 CoFeB MgO界面清晰 平滑 MgO有很好的 001 纤维晶体织构 2005 2实验结果 TMR与自旋极化率的关系 实线是Julliere模型期待值 磁性隧道结的应用 动态随机存储器MRAM 硬盘读出磁头 磁性传感器 高灵敏磁场传感器 SQUIDs1 5厘米2低温4 2K的灵敏度约1fT Hz1 2 用高温超导材料 灵敏度约为30fT Hz1 2 MTJ 超导环 4 2K的灵敏度为40pT Hz1 2 GMR 理论预言用TMR灵敏度可达0 01fT Hz1 2 MTJ结的面积10 m2 1997年MIT报道用磁隧道阀做成的磁头 硬盘的磁存储密度为几十Gbit in2 1fT 1x10 15T Science304 2004 1648 MotorolaMTJMRAMstructure 写入 读出 位线 字线 写线 写线 位线 字线 CMOS MRAM与现行各存储器的比较 F为特征尺寸 MRAM DRAM FLASH 非挥发性高的集成度高速读取写入能力重复可读写次数近乎无穷大功耗小 基于TMR构建的磁存储器 MRAM 具有 MRAM具有抗辐照能力 国防 航天至关重要 ProgressinMRAM 国外研究现状和发展趋势 2003年在日本文部省和通产省支持下己基本完成100 200Gbit in2磁读出头原型器件的研制 并又投入数十亿日元开展256M容量的MRAM演示芯片的研制 金属 半导体界面势垒 金属 真空界面 m 功函数 金属中的电子逸出到真空中所需要的最低能量 B 外加电场使势垒降低值 Ex 外加电场 热电子发射 金属中的电子靠热运动能量逸出金属的电子 金属 半导体界面 s 电子亲和能 导带底的电子进入真空所需要的能量 s 半导体功函数 从真空能级到费米能级的能量差 肖特基效应 外加电场导致金属势垒降低的现象 例如 外加电场为E 106 V m 那么 势垒的顶点出现在x 23 5nm处 39 meV 金属 半导体整流结称为肖特基势垒 对于p型半导体 m s s时形成整流接触 m s s时形成欧姆接触 n型半导体与金属接触形成的肖特基势垒 B m s 是由于界面电场导致势垒的降低 肖特基势垒 B MR 0 55 通过铁磁层把自旋电子注入二维电子气 实验 接触尺寸2x16 m2 例一 例二 自旋检测 自旋阀检测 电位计检测 自旋注入的电极材料解决肖特基势垒问题 高自旋极化率材料 为什么要研究半金属材料和稀磁半导体 TypeM Fe3O4 Sr2FeMoO6 Mn2VAl TypeM Examples CrO2 NiMnSb Co1 xFex S2 La0 7Sr0 3 O3 TypeIhalfmetals 半金属特征 少数自旋在费米面态密度为零 Crystalstructures AnataseStructureSpacegroup I4 amda 3 79Ac 9 51ATiradius 0 62ANradius 1 35A RutileStructureSpacegroup P42 mnma 4 75Ac 3 18ASnradius 0 74AOradius 1 35A WurtziteStructureSpacegroup P63 mca 3 25Ac 5 21AZnradius 0 80AOradius 1 21A ZnO TiO2 SnO2 稀磁半导体 金红石 锐钛矿 纤锌矿 Ti O Zn O Sn O 4x1 4 8x1 8 8x1 8 8x1 8 8x1 4 2x1 4x1 2 8x1 2 4x1 2 1x1 2x1 1x1 1x1 1x1 MomentsinSnO2 ZnO Cofilms Zn1 xCox O Co实验数据混乱 MomentsinTiO2andZnO Diluteferromagneticoxides TC RT 能隙 Spindiffusionlengths nm 自旋扩散长度 00C 半导体自旋电子器件 铁磁半导体电极 PRL87 2001 026602 磁隧道三极管 隧道热电子注入 Ic集电极电流 科学进步提出需求 五 MRAM研究进展 CMS 18HVModelMagnetronsputteringSystemmadeinUSAKJLC IonmillingsystemmadeinChina 4 硅片上MTJ检测结构示意图 4 inchwafe