颜老师课件自旋电子学2014

1、颜世申颜世申山东大学物理学院 2014.03.20自旋电子学简介一、序言一、序言-电子的电荷与自旋电子的电荷与自旋二、自旋电子学的几个重要发现二、自旋电子学的几个重要发现层间反铁磁耦合、层间反铁磁耦合、巨磁电阻、隧穿磁电阻、半金属、巨磁电阻、隧穿磁电阻、半金属、磁性半导体、拓扑绝缘体、自旋霍尔效应磁性半导体、拓扑绝缘体、自旋霍尔效应三、电子自旋注入半导体三、电子自旋注入半导体四、硬盘垂直磁存储技术四、硬盘垂直磁存储技术五五、几种激烈竞争的存储技术几种激烈竞争的存储技术六、我们的研究工作六、我们的研究工作七、我们的实验室七、我们的实验室内容提要内容提要克鲁伯格克鲁伯格1939年5月18日出生。1

2、9881988年，他在尤利西研究中心年，他在尤利西研究中心研究并发现巨磁电阻效应。研究并发现巨磁电阻效应。Albert Fert-费尔费尔1938年3月7日出。19881988年，他发现巨磁电年，他发现巨磁电阻效应，随后对自旋电子学作出过许多杰阻效应，随后对自旋电子学作出过许多杰出贡献出贡献。2007年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖自自旋旋自自旋旋 电子的电荷与自旋电子的电荷与自旋电子电子电荷电荷自旋自旋191.60210 10exc291.16530 10/sMxWb m电子电子在半导体材料中有在半导体材料中有电子电子和和空穴空穴两种载流子两种载流子极化电子有极化电子有自旋向上自旋向上和和向

3、下向下的两种载流子的两种载流子电子的自旋极化电子的自旋极化 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，表现出自旋极化。自旋极化度NNPNN实验结果： 材料 Ni Co Fe Ni80Fe20 Co50Fe50 Co84Fe16 自旋极化度() 33 45 44 48 51 49N和N在费密面自旋向上和向下的电子数。磁磁化化方方向向自旋极化电流自旋极化电流 3d4sP=45%P=100%Ef铁磁体铁磁体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1m。 极化电子自旋保持原

4、有极化方向 的平均间隔时间10-9 秒。 sd-自旋扩散长度100m。室温下室温下自旋扩散长度自旋扩散长度钴 铁 FeNi 金银铜铝自旋向上 5.5nm 1.5nm 4.6nm 自旋向下 0.6nm 2.1nm 0.6nm 1-10m 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。自旋极化的电子输运自旋极化的电子输运 sd Thermally activated coherent Phase change precessionRecording stabilitySuperparamagnetic limit极慢极慢Domain wa

5、ll motionGilbert dampingGHz data ratePrecessional switchingSpin-lattice relaxationLaser-induced (de)magnetizationCoherent dynamics各种磁过程的时间尺度各种磁过程的时间尺度100 yrYrhrsmssnspsfs先进材料的奇异物性和电子自旋密切相先进材料的奇异物性和电子自旋密切相关关铁磁材料铁磁材料 庞磁阻材料庞磁阻材料半金属材料半金属材料磁性半导体磁性半导体高温超导体高温超导体重费米子材料重费米子材料自旋霍尔效应自旋霍尔效应磁性半导体磁性半导体Science 294

6、 (2001) 1488.半金属半金属一、序言一、序言-电子的电荷与自旋电子的电荷与自旋二、自旋电子学的几个重要发现二、自旋电子学的几个重要发现层间反铁磁耦合、层间反铁磁耦合、巨磁电阻、隧穿磁电阻、半金属、巨磁电阻、隧穿磁电阻、半金属、磁性半导体、拓扑绝缘体、自旋霍尔效应磁性半导体、拓扑绝缘体、自旋霍尔效应三、电子自旋注入半导体三、电子自旋注入半导体四、硬盘垂直磁存储技术四、硬盘垂直磁存储技术五五、几种激烈竞争的存储技术几种激烈竞争的存储技术六、我们的研究工作六、我们的研究工作七、我们的实验室七、我们的实验室内容提要内容提要 1. 产生大的交换偏置场产生大的交换偏置场-HE 2. 钉扎铁磁层的

7、矫顽力小钉扎铁磁层的矫顽力小-Hc 3. 反铁磁层厚度要薄反铁磁层厚度要薄 4. 温度稳定性要好温度稳定性要好 5. 热处理工艺简单，宽容度大热处理工艺简单，宽容度大常用的反铁磁材料常用的反铁磁材料: NiMn FeMn IrMn PtMn反铁磁层通过交换反铁磁层通过交换耦合对近邻铁磁层耦合对近邻铁磁层起钉扎作用起钉扎作用1. 交换偏置交换偏置 反铁磁反铁磁/铁磁界面铁磁界面Free FMConducting spaceror insulating barrierPinned FMAntiferromagnetHMHE2. Fe/Cr/Fe 三明治结构的三明治结构的层间反铁磁耦合层间反铁磁耦合

8、Phys.Rev.Lett. 57 (1986) 2442Unguris.et al.Phys.Rev.Lett.67(1991)140FeFeFeFeCrCr 1nm1nm反铁磁耦合与振荡效应的实验证明FeFeFeFeCrCrP. Grnberg et.al. Baibich,A. Fert et.al (Fe/Cr)多层膜的巨磁电阻 金属多层膜的巨磁电阻反铁磁耦合(H=0)CIPCIPCPPCPP1994年 Pratt和Levy 垂直多层膜的GMR(CPP)，比CIP高4倍的变化Phys.Rev.Lett.66(1991)3060-70(1993)33433. 3. 巨磁电阻巨磁电阻(GM

9、R)(GMR)Phys. Rev. Lett. 61 (1988) 2472磁化强度平行，RP电阻小磁化强度反平行，RAP电阻大RPRPRPRPRAPRAPRAPRAP二流体模型自旋电子极化方向平行磁化强度方向-平均自由程长长自旋电子极化方向反平行磁化强度方向-平均自由程短短巨磁电阻效应的解释CuCo%APPPRRMRR(Fe/Cr)n的R/R0磁电阻随周期数周期数n的增加而增大Parkin.et al.Phys.Rev.Lett.64(1990)2304R/R()随随Cr厚度变化厚度变化的振荡关系饱和磁场随随Cr层厚度变化层厚度变化的振荡关系1990年Parkin et al 多层膜的交换耦

10、合振荡交换耦合振荡和巨磁电阻振荡巨磁电阻振荡1020304051015Cr thickness ()Saturation Field (kOe)饱和磁场随随Cr层厚度变化层厚度变化的振荡关系GMR自旋阀自旋阀1990年 Shinjo 两种不同矫顽力铁磁层的自旋阀结构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用反铁磁层钉扎一层铁磁层的自旋阀结构J.Appl.Phys.69(1991)4774-400-300-200-10001002003004000246 MR(%)H(Oe)Co/Cu/Co/FeMnMR=7 %反铁磁层反铁磁层钉扎铁磁层自由铁

11、磁层S iKoui.et al和Huai et al 8th.Joint MMM-Intermag Conference2001纳米氧化层NOL(Nanooxide layer)R/R=15 ( 10 )-20246810121416-600-400-2000200400600H ( Oe )MR ( % )NOL15%8%纳米氧化层纳米氧化层增强自旋阀磁电阻增强自旋阀磁电阻GMR的部分应用的部分应用反铁磁层铁磁层 1铁磁层 2非磁性层硬盘读出磁头硬盘读出磁头GMR隔离器传感器GMR-type MRAM(Honeywell公司曾制作出1Mb的MRAM, 估计军方是唯一用户)Compassing

12、Global Position SystemsVehicle DetectionNavigationRotational DisplacementPosition SensingCurrent SensingCommunication Products 通信产品The World of Magnetic Sensors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4. 隧穿磁电阻隧穿磁电阻TMR1975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)2251982年 Maekawa等 在Ni/N

13、iO/Ni，(Fe、Co)等发现磁隧道电阻效应IEEE Trans.Magn.18(1982)7071995年年 Miyazaki 在Fe/Al2O3/Fe三明治结构，在室温下有在室温下有15.6的磁隧道电导变化，磁场灵敏度为8/Oe。Al2O3FeFeAl2O3FeFeJ.Magn.Magn.Mater.139(1995)L231-151(1995)403Fe/Al2O3/Fe电阻隧磁场变化Fe/Al2O3/Fe磁滞回线AlAl2 2O O3 3为绝缘层的磁穿道电阻为绝缘层的磁穿道电阻自旋极化度NNPNNN和N分别表示在费密面自旋向上和向下的电子数。121221PPTMRPP 电阻RP小 电

14、阻RAP大隧穿磁电阻的解释量子隧道效应示意图(Fe/Al2O3/Fe)APPPRRTMRRTMR反铁磁钉扎主流材料反铁磁钉扎主流材料 IrMn、PtMnIrMnPhilips researchPtMnWest Virginia U.& IBM适合SV、AlOx-MTJ与硬盘记录读头处理温度：250300CRu5/Cu10NiFe5IrMn12CoFeB4Al2O3 1.2CoFeB 6Ru5正常钉扎型正常钉扎型TMR人工反铁磁耦合材料人工反铁磁耦合材料CoFe-Ru- CoFeB人工反铁磁耦合钉扎人工反铁磁耦合钉扎Phys Rev B 72 (2005) 054419 改善钉扎层的交换偏置场改

15、善钉扎层的交换偏置场, ,自由层翻转一致自由层翻转一致非常好，锰扩散不到钉扎铁磁层，磁路封闭非常好，锰扩散不到钉扎铁磁层，磁路封闭正常正常人工人工Ru5/Cu10NiFe5IrMn12CoFe4Ru0.8CoFeB4Al2O3 1.3CoFeB4NiFe5Ru5RKKY作用人工反铁磁人工反铁磁反铁磁反铁磁Fe/MgO/FeFe/MgO/Fe隧道结的隧道结的TMRTMR理论预言理论预言用第一性原理计算隧道电导和磁电导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。Fe100平行MgO(100)面上的110方向。 多数电子和少数电子在费米多数电子和少数电子在费米面面

16、附近态密度完全不同。附近态密度完全不同。结构模型结构模型Mg1oFe0101001102100FeMgO 多数电子和少数电子在费米多数电子和少数电子在费米面面 附近态密度大体相同。附近态密度大体相同。 1） MgO界面附近的Fe在费米面附近的态密度2） Fe界面附近的MgO在费米面 附近的态密度计算：计算：多数电子多数电子少数电子少数电子W. H. Butler, P.R.B 63,054461 (2001)3）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/=0 Fe(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

17、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，因类似于半金属的能态，因此自旋极化率为此自旋极化率为100%100%。理论预言理论预言TMR可达到可达到1000TMR 实验：相干自旋极化隧穿的实验：相干自旋极化隧穿的Fe/MgO/Fe隧道结隧道结S.Yuasa Jpn J Appl phys 43, L588 (2004)MgO(001)基片Fe (001)MgO(001)2nmFe (001)3x12m2超过Al2O3非晶势垒(TMR70%)室温：T

18、MR=88%写入写入读出读出位线位线字线字线写线写线写线写线位线位线字线字线WWLRWLGNDBLMTJCMOS磁性隧道结的应用磁性隧道结的应用磁记录头，磁记录头，MRAMMotorola MTJ MRAM structureMRAM与现行各存储器的比较（与现行各存储器的比较（F为特征尺寸）为特征尺寸）技术DRAMFLASHSRAMMRAM容量密度256 GB256 GB180 MB/cm2256 GB速度150 MHz150 MHz913 MHz500 MHz单元尺寸25 F2/bit2 F2/bit 2 F2/bit联接时间10 ns10 ns1.1 ns2 ns写入时间 10 ns10

19、s 10 ns擦除时间1 ns10 s 10 ns保持时间2.4 s10 years 无穷无穷循环使用次数无穷105无穷无穷工作电压(V)0.5-0.6 V 5 V 0.6-0.5 V 1 V开关电压0.2 V5 V RT相变：铁磁、金属相变：铁磁、金属顺磁、绝缘体顺磁、绝缘体32 . 08 . 0MnOSrLa6. 庞磁电阻Mn3+ 与与 Mn4+交换电子交换电子 两次跃迁过程：两次跃迁过程：氧离子电子氧离子电子 Mn4 Mn3+ eg电子电子氧离子氧离子绝缘绝缘金属转变金属转变庞磁电阻机理双交换作用模型外磁场使相邻格点局域自外磁场使相邻格点局域自旋间夹角减小，旋间夹角减小， 增加跃迁增加跃

20、迁概率，从而增加电导概率，从而增加电导(减小减小电阻电阻),产生产生CMR。 拓扑绝缘体理想的能带结构。其费米能级位于块材的带隙，该带隙被拓扑保护的表面量子态所填满。 拓扑绝缘体表面的自旋-轨道耦合7. 拓扑绝缘体材料与物理机理拓扑绝缘体材料与物理机理Topological phase transition. (A) High-resolution ARPES dispersion maps along the - momentum space line, from a spin-orbit band insulator (left panel) to a topological insula

21、tor (right panel). (B) ARPES-mapped native Fermi surfaces for different chemical compositions. (C) Left and right panels: Energy distribution curves for stoichiometric compositions. (D) Evolution of electronic ground state (3D band topology) imaged over a wide range of energy (vertical axis), spin (

22、arrows), and momentum (horizontal plane). Xu et,al., Science 332 (2011) 560.从能带绝缘体到拓扑绝缘体的相变J. E. Hirsch, Phys. Rev. Lett. 83, 1834 (1999)M. I. Dyakonov, JETP Lett. 13, 467 (1971)Y. K. Kato, Science 306, 1910 (2004).8. 自旋霍尔效应三种霍尔效应：正常霍尔效应、反常霍尔效应、自旋霍尔效应三种量子霍尔效应。H表示外加磁场强度，M表示自发磁化强度。这三种量子霍尔效应中，电子都是沿着无耗散

23、的边缘运动，材料内部是绝缘的。霍尔测量是测量一个方向的“净”电荷，对于量子霍尔效应（左侧）来说，边缘的不同自旋方向的电子都是朝着一个方向运动；对于量子自旋霍尔效应（中间）来说，不同自旋方向的电子的运动方向不同；在量子反常霍尔效应（右侧）中，沿边缘运动的只有自旋向下的电子。自旋和电荷运动方向的“锁定”机制和边缘通道的数量取决于材料本身。一、序言一、序言-电子的电荷与自旋电子的电荷与自旋二、自旋电子学的几个重要发现二、自旋电子学的几个重要发现层间反铁磁耦合、层间反铁磁耦合、巨磁电阻、隧穿磁电阻、半金属、巨磁电阻、隧穿磁电阻、半金属、磁性半导体、拓扑绝缘体、自旋霍尔效应磁性半导体、拓扑绝缘体、自旋霍

24、尔效应三、电子自旋注入半导体三、电子自旋注入半导体四、硬盘垂直磁存储技术四、硬盘垂直磁存储技术五五、几种激烈竞争的存储技术几种激烈竞争的存储技术六、我们的研究工作六、我们的研究工作七、我们的实验室七、我们的实验室内容提要内容提要 sdsemiconductors 200 2000semimetals 50 500s-band metals 30 300d-band metals5.0 0.9 30不同材料的自旋扩散长度不同材料的自旋扩散长度sd有机物材料室温下的自旋迟豫时间有机物材料室温下的自旋迟豫时间1010-7-7到到1010-5-5秒，长于金属中的秒，长于金属中的1010-9-9秒秒。三

25、、电子自旋注入半导体三、电子自旋注入半导体自旋注入方式自旋注入方式( STM )1.2.3.4.欧姆接触欧姆接触弹道点接触弹道点接触隧道注入隧道注入热电子注入热电子注入( STM )Spin injection自旋检测自旋检测自旋阀检测自旋阀检测电位计检测电位计检测n,p typeP-GaAs(100)P-AlGaAs 570nmAlGaAs 75nmGaAs 50nmAlGaAs 15nmAlGaAs 100nmGaAs 5nmMgO 3nmCoFe 5nmTa 10nmLEDsOptical Detection光检测光检测全半导体磁隧道结全半导体磁隧道结Ga1-xMnxAs(x=3.3%)

26、Ga1-xMnxAs(x=4.0%)AlAs50nm50nm3nm低温8K测量TMR70( 铁磁半导体电极 )PRL 87(2001)026602多场调控:未来的自旋场效应晶体管磁性半导体或磁性半金属极化光调控载流子电场调控载流子浓度、自旋方向磁场调控自旋方向半导体中极化电子的输运自旋注入磁性半导体或磁性半金属高介电材料一、序言一、序言-电子的电荷与自旋电子的电荷与自旋二、自旋电子学的几个重要发现二、自旋电子学的几个重要发现层间反铁磁耦合、层间反铁磁耦合、巨磁电阻、隧穿磁电阻、半金属、巨磁电阻、隧穿磁电阻、半金属、磁性半导体、拓扑绝缘体、自旋霍尔效应磁性半导体、拓扑绝缘体、自旋霍尔效应三、电子

27、自旋注入半导体三、电子自旋注入半导体四、硬盘垂直磁存储技术四、硬盘垂直磁存储技术五五、几种激烈竞争的存储技术几种激烈竞争的存储技术六、我们的研究工作六、我们的研究工作七、我们的实验室七、我们的实验室内容提要内容提要四、硬盘垂直磁存储技术四、硬盘垂直磁存储技术磁头磁头磁盘磁盘( (表面的多层磁存储材料薄膜也表面的多层磁存储材料薄膜也称为磁媒称为磁媒) )基片基片( (铝质或钢化玻璃铝质或钢化玻璃) )硬盘存储器成机硬盘存储器成机( (驱动器驱动器) )IBM RAMAC 19552 kbits/in250 x24” dia disksMicrodrive 20041 x 1” dia diskS

28、ize:430.5cm8 Gbyte5 Mbyte Seagate 2004108 Gbits/in23 x 3.5” disks400 Gbyte磁盘片发展过程磁盘片发展过程2013年 6 Tbyte硬盘磁记录发展历史薄膜磁头磁电阻磁头巨磁电阻磁头磁记录介质的超顺磁效应磁记录介质的超顺磁效应100Gb面密度 Mbit/in21Gb 磁材料发展方向磁材料发展方向20062006年度世界硬盘存储器技术开始全面转向垂直磁存储技术年度世界硬盘存储器技术开始全面转向垂直磁存储技术常规纵向记录常规纵向记录 反铁磁耦合纵向记录反铁磁耦合纵向记录 垂直记录垂直记录 钌厚度三个原子层，两磁性层反平行耦合反铁磁

29、耦合介质反铁磁耦合介质-AFC 最后一代最后一代LMRLMR和第一代和第一代PMRPMR磁存储层结构和磁存储层结构和合金组份是关键技术开发的基点合金组份是关键技术开发的基点Deskstar 7K1000 * 1000/750 GB SATA * 最大磁录密度为每平方英寸148GB * 最大磁碟数据传输速率为1,070Mb/s * 平均寻道时间（包括指令执行时间）为8.7毫秒 * 转速7200RPM，平均延迟时间为4.17毫秒 * 高26.1毫米（最大） * 重700g（最大） * 5/4 磁碟，10/8 录写磁头 SATA * 300 G/1 ms震动（非作业避震） * 9.0（5磁碟）/8.

30、1（4磁碟）瓦特省电空闲 SATA * 一般空闲声量：2.9贝尔 * 作业温度：摄氏5至60度2007年第一季度上市年第一季度上市，有，有750GB和和1TB两种容量。两种容量。日立环球存储科技（Hitachi GST）公司 一、序言一、序言-电子的电荷与自旋电子的电荷与自旋二、自旋电子学的几个重要发现二、自旋电子学的几个重要发现层间反铁磁耦合、层间反铁磁耦合、巨磁电阻、隧穿磁电阻、半金属、巨磁电阻、隧穿磁电阻、半金属、磁性半导体、拓扑绝缘体、自旋霍尔效应磁性半导体、拓扑绝缘体、自旋霍尔效应三、电子自旋注入半导体三、电子自旋注入半导体四、硬盘垂直磁存储技术四、硬盘垂直磁存储技术五五、几种激烈竞

31、争的存储技术几种激烈竞争的存储技术六、我们的研究工作六、我们的研究工作七、我们的实验室七、我们的实验室内容提要内容提要硬磁盘硬磁盘 五、几种激烈竞争的存储技术五、几种激烈竞争的存储技术(垂直磁记录垂直磁记录)闪存 FlashFlashMRAM读写速度机械运动连续磁介质连续磁介质非连续磁介质非连续磁介质图形磁介质热辅助垂直记录氧化物存储相变存储PRAMReRAM赛道存储高存储密度高存储密度读写速度快读写速度快无运动部件无运动部件完全是微电子工艺完全是微电子工艺闪存闪存 Flash价格偏高价格偏高读写循环次数少读写循环次数少寿命？寿命？浮动栅用量子点或纳米颗粒浮动栅用量子点或纳米颗粒氧化物存储技术

32、氧化物存储技术有可能成为信息存储器件的新原理有可能成为信息存储器件的新原理SrTiO3La0.67Ca0.33MnO3RI I100nmAB2030405060468101214161820-2.50.02.5 Fig. 3 & Y.W.Xie et al.Resistance(k )Pulse NumberVoltage(V)处处理理电电脉脉冲冲电电阻阻变变化化“1”“0”+-大电流处理大电流处理小电流测量小电流测量 首先通入大首先通入大电流写入，电流写入， 通入小电流通入小电流沿不同方向测沿不同方向测量电阻量电阻,进行读进行读出出.A电极电极PrCaMnO3相变存储技术相变存储技术Tx：晶

33、化温度晶化温度Tm：熔点熔点Tg：玻璃化温度玻璃化温度相变材料的特性：相变材料的特性： 从熔点冷却到室温形成非晶态；从室温升到晶化温度以上，低于熔点，冷却下来为晶态。晶态电阻小晶态电阻小(读为读为“0” )，非晶态电阻大，非晶态电阻大(读为读为“1” )。电极电极相变材料相变材料绝热层绝热层绝热层绝热层电极电极大电流擦除；中电流写入；小电流读出大电流擦除；中电流写入；小电流读出TgTmTx写入写入读出读出擦除擦除GeSbTe赛道赛道存储器存储器表一表一: 几种典型易失几种典型易失/非易失存储器的性能参数非易失存储器的性能参数存储器存储器DRAMSRAMFlashFRAMPhase change

34、MemoryMRAMReRAM非挥发性非挥发性无无无无有有有有有有有有有有写入功率写入功率低低低低高高低低低低高高低低写入电压写入电压低低低低高高低低中中低低读出电压读出电压变化范围变化范围100200mV100200mVDelta 电流电流-204010X-1000X写入时间写入时间50 ns8 ns1s30 ns10 ns30 ns10 ns擦除时间擦除时间50 ns8 ns10 ms30 ns50 ns30 ns30 ns读取时间读取时间50 ns8 ns50 ns30 ns20 ns30 ns20 ns写入能量写入能量中中高高高高低低低低中中低低高密度的高密度的技术困难技术困难电容容电

35、容容量量晶体管数目晶体管数目绝缘层绝缘层厚度厚度强诱强诱电电体面体面积积曝光技术曝光技术写入电写入电流流曝光技曝光技术术擦写次数擦写次数无限制无限制无限制无限制1051061015101210151015一、序言一、序言-电子的电荷与自旋电子的电荷与自旋二、自旋电子学的几个重要发现二、自旋电子学的几个重要发现层间反铁磁耦合、层间反铁磁耦合、巨磁电阻、隧穿磁电阻、半金属、巨磁电阻、隧穿磁电阻、半金属、磁性半导体、拓扑绝缘体、自旋霍尔效应磁性半导体、拓扑绝缘体、自旋霍尔效应三、电子自旋注入半导体三、电子自旋注入半导体四、硬盘垂直磁存储技术四、硬盘垂直磁存储技术五五、几种激烈竞争的存储技术几种激烈竞

36、争的存储技术六、我们的研究工作六、我们的研究工作七、我们的实验室七、我们的实验室内容提要内容提要CoO1-x ZnO1-v 氧离子或氧空位氧离子或氧空位氧离子（氧空位）迁移引起类氧化氧离子（氧空位）迁移引起类氧化-还原反应：还原反应：氧离子库氧离子库 CoO1-x 金属金属-绝缘体转变绝缘体转变解决的关键问题：解决的关键问题： 能否把能否把记忆电阻记忆电阻与与磁电阻磁电阻集成在一个器件中，获得多电阻态集成在一个器件中，获得多电阻态 实现既可实现既可电控电控又可又可磁控磁控 Co/CoO1-x-ZnO1-v/Co1. 电致电阻与磁电阻复合的自旋记忆电阻器 结构：结构：Cr/Ag/Co10nm/C

37、oO-ZnO2nm/Co30nm/Ag 生长关键：控制氧分压，控制生长关键：控制氧分压，控制CoO-ZnO绝缘层的载流子浓度绝缘层的载流子浓度生长生长 2 nm ZnO 的最佳氧分压范围：的最佳氧分压范围：0.25-0.30%. Co/CoO-ZnO/Co 异质结示意图异质结示意图Scientific Reports 4 (2014) 3835-1.5-1.0-0.50.00.51.01.52.0-0.010.000.010.020.03 Current (A)Voltage (V)300 KsetresetHRSLRSHRS 高阻态高阻态I-V非线性，隧穿导电非线性，隧穿导电 LRS 低阻态

38、低阻态 I-V线性，金属导电线性，金属导电Co10nm/CoO-ZnO2nm/Co30nm 的电致电阻效应的电致电阻效应高阻态到低电阻的电阻变化约高阻态到低电阻的电阻变化约40倍倍90.591.091.592.092.5 R () 300 KLRS0.00.51.01.52.02.5 MR (%)-600-3000300600-1.0-0.50.00.51.0 M (10-3 emu)H (Oe) 300 K3600375039004050 R () 300KHRS051015 MR (%)高低阻态的室温磁电阻与磁滞回线高低阻态的室温磁电阻与磁滞回线可用电场调控磁电阻！可用电场调控磁电阻！得到

39、了得到了4个电阻态！个电阻态！TMR 15% 高阻态高阻态CPP-GMR 2.5% 低阻态低阻态5000600070008000 R() 5KHRS0204060 MR (%)-10000-50000500010000423426429432 R ()H (Oe) 5 KLRS0.00.51.01.52.0 MR (%)-4000-2000020004000-1.2-0.60.00.61.2 M (10-3 emu)H (Oe) 5K高低阻态的低温磁电阻与磁滞回线高低阻态的低温磁电阻与磁滞回线电场调控的交换偏置场：电场调控的交换偏置场：HRS: HE 670 Oe LRS: HE 160 Oe

40、 TMR = 2P1P2/(1-P1P2)=68%P1=35%, P2 =72% 增强的磁电阻及其机理：增强的磁电阻及其机理： Band structure ? similar to Fe/MgO/Fe2. Coulomb blockade effect ? Tunneling of non-s electrons ? Co d 80%Co/CoO-ZnO/Co 异质结的阻变机理异质结的阻变机理纯纯 CoO 良好反铁磁绝缘体良好反铁磁绝缘体,纯纯Co 良好的铁磁金属良好的铁磁金属ZnO1-v 的电阻远小于的电阻远小于 CoO1-x 在电场作用下，氧离子（或氧在电场作用下，氧离子（或氧空位）在空

41、位）在ZnO1-v与与 CoO1-x 之之间迁移，使间迁移，使 CoO1-v 发生金属发生金属-绝缘体转变。绝缘体转变。Scientific Reports 4 (2014) 3835Co/CoO/Co 异质结的第一原理计算异质结的第一原理计算CoO 绝缘体绝缘体Co/CoO 界面界面金属金属自旋极化自旋极化P=73%CoO1-v 金属金属V=0.25(a)高磁化强度高磁化强度 600 emu/cm3居里温度高于室温居里温度高于室温 Appl. Phys. Lett. 4 (2004) 2376Appl. Phys. Lett. 89 (2006) 0425012. 浓磁半导体材料浓磁半导体材

42、料 -高磁化强度、大磁电阻、大克尔角高磁化强度、大磁电阻、大克尔角1.62.02.42.83.23.6-0.4-0.20.00.20.40.60.8-10000010000-800-600-400-2000200400600800-20000020000-505101520253035 (b) Kerr rotation ( deg. ) Kerr rotation Photon Energy (eV)Zn0.44Co0.56O (c)- MR ( % ) H ( Oe ) M ( emu/cm3 ) 5 K 293 K(a)Zn0.28Co0.72OH ( Oe )(c)大克尔角！大克尔角！

43、 0.72度度(b)大磁电阻大磁电阻 -35%Zn0.2Co0.8O ： P=36%Ti0.24Co0.76O2 ：P=22%JPCM 18 (2006) 10469JAP 100 (2006) 103901 自旋依赖的变程跃迁自旋依赖的变程跃迁1022exp()1cosEHjSiTPTTT28co8sSBEBekTJk自旋极化率自旋极化率交换作用交换作用0.00.10.20.30.40.59.510.010.511.011.512.0 ln(R) ( Ohm )T-1/2 ( K-1/2) 0 T 5 T 0 T theory 5 T theoryTi0.24Co0.76O2Zn1-xCox

44、O浓磁半导体性能浓磁半导体性能高磁化强度，高磁化强度，600 emu/cm3高居里温度，高于室温高居里温度，高于室温高自旋极化率，高自旋极化率，36%我们首次给出包含二阶磁光效应的公式我们首次给出包含二阶磁光效应的公式 ：3. 新的实验测量原理与发现新的实验测量原理与发现 -利用二阶磁光效应测量磁化矢量利用二阶磁光效应测量磁化矢量磁光效应的实验设置磁光效应的实验设置二阶磁光效应！二阶磁光效应！易轴、磁场、磁化强度的位形易轴、磁场、磁化强度的位形22xxyycoscos sinsinMM MMI 3. 新的实验原理与发现（续）新的实验原理与发现（续） -Fe单晶膜新奇的磁化反转过程单晶膜新奇的磁

45、化反转过程-2000-1000010002000-1.5-1.0-0.50.00.51.01.5 (e)(d)(c)(b)(a)FEDCBAH = 45.530 MOKE fittingMOKE ( arb. uni. )H ( Oe )Fe金属单晶（金属单晶（001）面的磁化反转过程：）面的磁化反转过程： 渐变过程的一致转动渐变过程的一致转动 + 突变过程的磁畴壁位移！突变过程的磁畴壁位移！0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.680100120140160180Mn thickness DMn ( ML)coupling angle (degree)Mn thickness DMn (nm)345678910 11 12 13 14 15 16铁铁磁磁耦耦合合反反铁铁磁磁耦耦合合垂垂直直耦耦合合4. Fe/Mn/Fe 楔形膜中任意角度的耦合楔形膜中任意角度的耦合左图：左图：Fe/Mn/Fe三层膜中两三层膜中两Fe层层的磁矩夹角随的磁矩夹角随Mn层厚度变化。层厚度变化。 右图：磁矩从铁磁耦合过渡到