量子力学课程设计自旋

1、 量子力学课程设计 自旋器件的发展及应用摘要 自旋电子学是最近几年在凝聚态物理中发展起来的新学科分支，它研究在固体中自旋自由度的有效控制和操纵，在金属和半导体中自旋极化、自旋动力学、自旋极化的输运和自旋电子检测由于它在信息存储方面的重大应用前景，受到学术界和工业界的高度重视文章扼要地介绍了自旋电子学发展的历程和发展中的最重要的发现最近几年，最奇特的发现和最重要的应用莫过于巨磁电阻，薄膜领域纳米技术的迅速发展使巨磁电阻的应用变成可能关键词：自旋电子学，巨磁电阻，磁隧道结，自旋阀1 引 言自旋电子学自1994年被确认为凝聚态领域的一个新型交叉学科而倍受科学界和电子工业界的关注，具有广阔的应用前景。

2、自旋电子学的出现被称为是1994年物理学界十大重大事件之一，它的研究已经成为凝聚态物理、信息科学及新材料等诸多领域共同关注的研发热点，并将成为本世纪信息产业的基础，对未来的电子工业发展将起到举足轻重的作用。作为现代信息产业基本元素的半导体器件，是以电子（ 或空穴）的电荷特征来传递信息，而电子自旋由于随机取向，因而不携带信息。具体地说，通常电子在输运过程中由于碰撞而导致自旋磁矩在空间的取向混乱，因此在宏观输运性质中仅需要考虑电子具有电荷就足够了。自旋电子学不仅利用电荷，而且需利用电子的自旋特性，它将通过操纵电子自旋来进行信息处理。随着微加工技术和大规模集成电路的发展，电子器件的尺寸越做越小，当尺

3、度在纳米范围内，自旋在很多方面要比电荷更优越，如数据处理快、能耗低、集成度高、稳定性好等。因此，自旋电子将会逐步取代微电子而成为工业的主流。自旋电子学器件的应用，特别是在计算机信息产业中的应用已取得了巨大的成绩，如利用巨磁电阻（gmr）效应做的磁头用在计算机（2000年世界硬盘的产量已达2亿台） 硬盘存储上，使记录密度由1988年的50amb/in 发展到2003年的1gb/in，提高了千倍之多。这充分表明了gmr是未来外存储器市场最重要的类型产品，它将促进我国计算机技术的发展并带来巨大的经济效益.此外，利用gmr效应制备的磁随机存取存储器（mram） 作为计算机内存芯片将是下一步推进计算机技

4、术发展的一场革命，并有可能取代半导体芯片。19992001 年，美国的ibm、摩托罗拉，德国的infineon 等公司先后研制成功了实用的mram芯片。我国对自旋电子学的研究主要集中在gmr材料和物理以及过渡族氧化物(la-ca-mno)材料的超大磁电阻效应方面.在高灵敏度传感器和硬盘磁头研究中均包含创新性的工作.2 自旋电子学研究的历史回顾电子具有电荷和自旋两种属性是人所共知的电子在电场中运动由于带有电荷而形成电流导体在磁场中做切割磁力线的运动时，导体中产生电流反过来，在磁场中的通电导体将产生垂直磁场的运动从而发明电动机和发电机，成就了一个世纪的文明在半导体中由于导带中的电子和价带中失去电子

5、形成空穴的输运特性，构成pn结，1947年发明半导体晶体管，开创半导体电子学，打开了当代通信和数据处理技术发展的大门，奠定了现代信息社会的基础所有这些都是基于电子具有电荷的属性电子在完整晶体的周期性势场中运动是不受阻碍的，因而称为透明的但是由热引起晶格振动或晶体中的各种缺陷，对电子散射而形成了阻碍电子不受到散射的平均路程称为平均自由程在低温下，金属的电子平均自由程约为lonm在原子结构中，我们已经熟知电子的自旋特性，在一个能级轨道上只能有自旋向上和自旋向下的两个电子占据电子在固体材料中运动能否有自旋极化的电子电流?怎样产生自旋极化的电流?自旋极化电子在运动中能保持多长的路程?怎样检测自旋极化电

6、流? 早在1971年，tedrow等1利用超导(a1)绝缘层(a1203，)铁磁金属(ni)的隧道结，测出穿越绝缘体的电流是自旋极化电子流，而自旋极化电子流是通过铁磁金属产生的人们可以利用该实验测量各种铁磁材料产生自旋极化电流的能力，用自旋极化度p来表征自旋极化度p定义为p=(%)式中和分别表示在费米面附近自旋向上和自旋向下的电子数1973年，tedrow 2用隧道谱法测量了fe，co，ni和gd的自旋极化率.1999年，jagadeesh等3分析多家实验结果，给出较为合理精确的实验测定结果：fe 44，co 45，ni33，feni 48，feco 51下一个问题是，电流通过多厚的铁磁层才能

7、达到最大的自旋极化度?1983年，meservey4发现fe薄膜在1 nm厚度时自旋极化逐渐达到饱和2003年，zhu等5对cofe薄膜测量，发现它在23nm厚度时达到饱和1986年，grunberg等人6发现，在fecrfe三明治结构中，适当的“cr”层厚度，可使两铁层之间形成反铁磁耦合1988年，baibich7发现铁铬多层膜中，当铬的厚度使铁层之间形成反平行耦合时，没有外加磁场的电阻比外加磁场使多层膜饱和时大得多，称为巨磁电阻(gmr)效应1990年，parkin等8用磁控溅射制备了一序列多层膜，系统地研究了它们交换耦合振荡效应和巨磁电阻效应1990年，shinjo9用两种不同矫顽力的铁

8、磁层构成自旋阀1991年，dieny10用反铁磁层钉扎铁磁层构成自旋阀自旋阀结构为gmr效应提供实际应用的可能，例如硬磁盘的读出头和磁传感器自旋阀的结构给我们提供测量自旋扩散长度的方法1975年，julliere11等发现用铁磁金属替代超导金属，构成铁磁(fe)绝缘层(ge)铁磁(fe)的磁隧道结(mtj)，在低温4.2k时，磁隧道电阻为14但可惜是在低温下实现的1995年，miyazaki等12发现fea1203，fe隧道结在室温下隧道磁电阻tmr高达18，引起人们极大的兴趣由此可见，自旋电流的注入、输运、操纵和检测都是在纳米尺度下进行的，成为纳米科技的重要内容，并成为新的研究领域早期(大约

9、在1995年) 13，称该研究领域为磁电子学(magnetoelectronics)，它主要包括巨磁电阻效应和磁隧道效应1996年，ohno等14纠在gaas半导体中掺杂了35的mn，得到稀磁半导体，居里温度超过60kawschalom等15证明，在n型gaas中，能够传输自旋信息和操纵自旋人们很自然想到能否实现自旋半导体器件1996年，日本最先实施“自旋可控的半导体纳米结构”的研究计划紧跟着美国、欧洲等都开始实施类似的研究计划2000年6月，在德国召开了自旋电子学讨论会(symposium on spinelectronics)，2001年8月，在比利时召开了自旋电子学讨论会(英文名称用sp

10、intronicsin belgium)此时，人们就发现用磁电子学定义狭隘了，而采用了更广泛的名词：spinelectronics或spintronies(1999年awschalom等的文章中已出现“spintronics”一词)在我国称为自旋电子学，它包括磁电子学和半导体自旋电子学世界2006年鉴期刊在“科学”栏世界2006年鉴期刊在“科学”栏目中的自旋医生一文中有一段评述：如果磁电阻随机存储器(mram)实现了人们对它的期望，它将最终横扫所有其他类型的存储蕊片，甚至会和硬盘展开激烈竞争但是自旋电子器件的支持者希望mram只是一个开始他们想用自旋电子器件替代更多电荷电子器件2000年，bl

11、ack等16提出用一个比较简单的线路把gmr或tmr器件连结起来，构成可编程序的逻辑操作2003年，ney等17对单一磁电阻元件的结构做新的构思，实现单一器件具有可编程序的逻辑元件，也就是说，通过软件可以使一个磁性逻辑元件从“与”门变成“与非”门，“或”门变成“或非”门，以及把“与”门变成“或”门我国科学刊物在2005年第10期发表的硬件变色一文中，通俗介绍了利用gmr和tmr制作磁逻辑门，以及用磁逻辑门阵列构成的磁处理器，而且每个逻辑门都可以通过软件单独配制，形成可随时变化像变色龙般的磁处理器最近国际上又开展了利用gmr，tmr和半导体的组合构建自旋晶体管的研究工作自旋电子学的发展历程可归纳

12、为三步：巨磁电阻-隧道磁电阻-半导体自旋电子本文将扼要介绍以下几种自旋器件.3 gmr磁头和传感器通常金属中的磁电阻(mr)都很小，在1%3%左右.而在铁磁/非铁磁/铁磁金属多层膜结构中获得的磁电阻已达18%24%,比通常金属的mr要大的多，因此被称为巨磁电阻（gmr）. gmr产生机制起因于两边铁磁层中电子的磁化(磁矩)方向，当电子通过与电子平均自由路程相当的纳米铁磁薄膜时，自旋磁矩的取向与薄膜磁化方向相一致的电子较易通过，自旋磁矩的取向与薄膜磁化方向不一致的电子难以通过，从而使磁电阻发生很大的变化。构成gmr磁头和传感器的核心元件是自旋阀。它的基本结构是两边为铁磁层，中间为由非铁磁层构成的

13、多层膜。其中，一边的铁磁层矫顽力大，磁矩固定不变，称为钉扎层；而另一层铁磁层为自由层。由于钉扎层的磁矩与自由层的磁矩之间的夹角发生变化导致gmr元件的电阻值改变从而使读出电流发生变化。通过降低自由层的厚度，可提高磁头和传感器的灵敏度。目前用这种gmr磁头，可以读出100gbpi面记录信息.1995年，在铁磁/绝缘体/铁磁的夹层薄膜结构上观测到室温隧穿磁电阻(tmr)效应，并获得高达40%的磁电阻变化率，是gmr效应的数倍。因此，灵敏度检测得到了进一步的提高。目前，科学家们正在积极研究和开发这种tmr元件。实际上，磁头是一种检测磁场强弱、把磁信号变换成电信号的磁传感器。利用磁电阻(mr)效应工作

14、的传感器除了用作磁记录读出磁头外，还在检测电流、旋转角度、位置、位移等方面得到广泛应用。但运用gmr元件的磁传感器，检测灵敏度比使用mr元件的器件要高一个数量级，因此更易集成化且可靠性更高。它还可以制成传感器阵列，用来表述通行车辆，飞机机翼、建筑防护装置、跟踪地磁场的异常现象等。目前,gmr磁传感器在液压汽缸位置传感，真假纸币识别、轴承编码、电流检测与控制、旋转位置检测、车辆通行情况检测等领域得到应用。此外，在军事上，gmr磁传感器有更重要的价值，如在制导、导航和控制等方面的应用。4 gmr随机存取存储器20世纪60年代磁芯存储器被用作计算机中的随机存储器，但由于体积大，速度慢，在70年代由半

15、导体芯片替代。巨磁阻材料的出现，使用mram作为计算机内存芯片的设想自然被提出来。用巨磁阻制备的mram结构是采用纳米技术，把沉积在基片上的gmr薄膜或tmr薄膜制成图形阵列，形成存储单元，以相对两磁性层的平行磁化状态和反平行磁化状态分别代表信息“ 1”和“0”.与半导体存储器一样，是用电检测由磁化状态变化产生的电阻值之差进行信息读出的一种新型存储器。给导体图形加上脉冲电流，使其中的一层铁磁层（ 自由层）磁化反转，完成信号写入。在用gmr薄膜作存储单元时,由于其中一磁性层的磁化被反铁磁性层（ 钉扎层）固定在一个方向上，因此存储器只用另一层的磁化反转工作。这样，在读出时一旦记录的信息被消去（破坏

16、读出），只要把两磁性做成厚度不同或者矫顽力值不同的准gmr膜，通过调节工作电流，就能够以各磁性层单独地磁化反转达到非破坏读出。mram与现在计算机内存用的半导体ram相比，最大的优点是非易失性，可永久保存信息。此外，由于mram 具有抗辐射性好、体积小、高集成度和低成本等优点，具有使其不仅可广泛用于军事目的和航天航空中，而且在数码照相、移动电话及多媒体信息处理等民用中得到迅速普及。日前，世界发达国家及高新技术产业界都十分重视这项新技术，并投入巨资加快产品的商业化。据infineon公司报告，该公司于2004年使256mb mram芯片商品化。据日本行家估计，1gb的产品将在20062007年上

17、市。5 半导体自旋电子器件半导体自旋电子器件是利用磁性半导体/半导体或铁磁半导体复合材料，将磁性引入到半导体中，可研制光学隔离器、磁传感器及非挥发性内存等新的自旋电子器件，而且这些都可以集成到其他半导体器件中。近年来对fe/gaas , fe/znse , fe/si(ge) 及 gamnas/gaas等磁隧穿结进行了研究。其中在fe/znse/fe隧穿结中在10k下观测到较大的磁电阻值。目前，在这类隧穿结中存在的一个普遍问题是它们的居里温度仍比较低。其原因有以下两点：（1）隧穿结中铁磁材料自身的极化率不高。例如fe被认为是一种较理想的铁磁材料，居里温度高于室温， 但fe的极化率并不高， 仅为

18、40%金属/半导体界面质量差， 容易形成磁“死”层，即由于界面质量差，电子穿过界面时将发生自旋跳跃（ 极化翻转）。为了解决存在的问题，科学家们提出：若能寻求一种具有铁磁性的半导体材料与半导体构成全半导体隧穿结,将有利于提高电子极化率和界面质量。近来petukhov等人预言了以gamnas作为铁磁层，中间为半导体量子阱组成的双垒（gamnas/alas/gaaa/alas/gamnas）磁隧穿结构， 通过调节量子阱阱宽(垒层厚度一定时）来实现极化电子的共振隧穿，使tmr理论值达800%期望这一结果能在器件中得以实现。最近科研人员用低压mocvd方法在gaas衬底上生长了fese薄膜.由于fese

19、是一种铁磁材料， 其居里温度大于300k(禁带宽度约0.67ev，薄膜为黑褐色）.此外，fese还有一个特性就是通过调节fese的化学计量比，可获得具有半导体性质的fese，带宽可达3.00ev左右。图1是测得的fese的x-射线衍射谱。图中除了观测到gaas的（400）、（200）衍射峰外，其他的（004）、(003）和（002）三个衍射峰都是fese，且为同一取向的四方结构fese薄膜。目前，用mocvd方法生长fese还未见报道，该结果为下一步开展fese/znse隧穿结器件及进行自旋相关的散射、自旋注入等物理研究提供了一个很好的发展空间。6 结论由电场控制电子电荷的输运过程为基本原理的微电子学，已彻底改变了人们的日常生活.而人们能否可以通过控制电子的另一属性自旋来实现对其输运行为的操纵，来开创新的信息时代呢？gmr出现后，它迅速完成了从物理发现到材料制备，直至最后器件商品化的过程.在自旋电子学领域取得的诸多科技成果和应用表明，这是完全可行的，它将是推动本世纪信息科学等高科技领域的关键所在.参考文献1tedrow p m，meservey rphysre