纳米材料基础-第六章磁性3.ppt

纳米材料基础,北京航空航天大学,于荣海,磁记录材料,电荷与自旋,电子具有电荷和自旋两种性质传统电子器件忽略了电子自旋特性，仅利用电子电荷输运完成器件功能与自旋相关的物质磁性也有广泛的应用物质磁性用于信息存储，但是传统磁存储技术中却不考虑电子输运，仅利用磁畴取向。,磁阻-Magnetoresistance(MR),磁阻由磁性引起的附加电阻一百多年以前知道外加磁场可改变电阻值的大小,在非磁性金属中磁阻产生的原因是Lorentz,在磁性金属中磁阻是由于量子效应中的Spin-orbital耦合引起的，也就是各向异性磁阻,然而这些电阻的变化一般较小，因此其应用价值也较有限，主要是作一些简单的传感器。,磁阻-Magnetoresistance(MR),几乎所有金属、合金和半导体中都存在磁阻，它是磁场中物质的附加磁阻（W.Thomson于1857年发现），即磁阻由洛仑兹力引起，与磁场（磁化）方向有关,巨磁阻-GiantMagnetoresistance(GMR),巨磁阻发现的前期工作是1986年Grnberg对Fe/Cr/Fe三层膜的研究他们最初的研究目的是研究超薄Cr薄膜的反常特性却意外发现在适当的厚度下，通过Cr膜的中介，两个Fe层薄膜之间产生反铁磁交换耦合作用，相邻铁膜从铁磁相转化为反铁磁相。,适当中介层厚度，相邻铁磁层磁化方向相反，形成反铁磁序(AF)，外磁场使其磁化转向，转化为铁磁模式（FM）。,巨磁阻-GiantMagnetoresistance(GMR),巨磁阻发现的前期工作是1986年Grnberg对Fe/Cr/Fe三层膜的研究他们最初的研究目的是研究超薄Cr薄膜的反常特性却意外发现在适当的厚度下，通过Cr膜的中介，两个Fe层薄膜之间产生反铁磁交换耦合作用，相邻铁膜从铁磁相转化为反铁磁相。,适当中介层厚度，相邻铁磁层磁化方向相反，形成反铁磁序(AF)，外磁场使其磁化转向，转化为铁磁模式（FM）。,这种结构由被非磁隔离层(NM-layers)分开的薄铁磁层(FM-layers)组成，非磁隔离层的存在使得相邻铁磁层存在交换耦合作用，即它们磁化方向处于反平行状态（AF），这种耦合作用可以用Ruderman-Kittel-Kasuya-Yoshida(RKKY)模型解释，外磁场H克服层间耦合可使所有磁层的磁化方向从反铁磁模式(AF-mode)同时转换为平向方向，即铁磁模式(F-mode)。,1988年发现三层结构推广到多层时，在室温下其磁阻超过10%；为了强调磁阻显著的变化，特意在这种“磁阻”（“MR”）之前加上“巨”（“giant”），而称为“巨磁阻”（“GMR”）。,两个研究团队分別在4.2K温度和室温下，对各自研制的磁性多层薄膜系统磁电阻予以测量，Fert教授在4.2K的低溫，在(Fe/Cr)n，n=60系统中测量得到50%磁阻变化，Grunberg教授則在室溫下，测量Fe/Cr/Fe三明治结构，测得大約1.5%的磁阻变化，随后又在低溫下Fe/Cr/Fe/Cr/Fe系統中测得约10%的磁阻变化率。,AlbertFert,PeterGrunberg,后来的研究中，巨磁阻越来越显著。,Electronspin-dependenttransport;Two-channelconductiontheory(FertandCampell,J.Phys.F6,849(1976);Conductionelectron:Spin-upandspin-down.,自旋电子学-SpinElectronics,1995年后，GMR的研究发展成为一门新型的学科-自旋电子学(Spinelectronics)主要包括利用顺磁、铁磁金属和绝缘体材料的组合的磁阻效应实现器件和电路功能，例如：自旋阀传感器计算机硬盘驱动器的读磁头非挥发磁随机存储器(MRAM),电路隔离器（circuitisolators）,磁记录装置,自旋阀(SpinValves)Exchange-biasedspin-valvesweredevelopedbyDienyetal.,Phys.Rev.B43,R1297(1991).,SpinconfigurationofanFM-AFMbilayes,磁性隧道结-MagneticTunnelingJunction,磁性隧