巨磁电阻GMR是自旋电子学产生的基石课件

1、巨磁电阻和自旋电子学詹文山中国科学院物理研究所 磁学国家 重点实验室 2007.12.2007年诺贝尔物理学奖Peter Grnberg-克鲁伯格1939年5月18日出生。从1959年到1963年，克鲁伯格在法兰克福约翰-沃尔夫冈-歌德大学学习物理，1962年获得中级文凭， 1969年在德国达姆施塔特技术大学获得博士学位。1988年，他在尤利西研究中心研究并发现巨磁电阻效应；1992年被任命为科隆大学兼任教授；2004年在研究中心工作32年后退休，但仍在继续工作。他1994年获美国物理学会颁发的新材料国际奖(Fert、Parkin共同获得)；1998年获由德国总统颁发的德国未来奖；2007年获

2、沃尔夫基金奖物理奖(与Fert共同获得)。 Albert Fert-费尔1938年3月7日出。1962年在巴黎高等师范学院获数学和物理硕士学位。1970年从巴黎第十一大学获物理学博士学位，前在该校任物理学教授。他从1970年到1995年一直在巴黎第十一大学固体物理实验室工作。后任研究小组组长。1988年，他发现巨磁电阻效应，随后对自旋电子学作出过许多杰出贡献。1994年获美国物理学会颁发的新材料国际奖， 1995年至今则担任国家科学研究中心-Thales集团联合物理小组科学主管, 1997年获欧洲物理协会颁发的欧洲物理学大奖，以及2003年获法国国家科学研究中心金奖。 一、序言二、巨磁电阻GM

3、R三、隧道磁电阻TMR五、物理所MRAM研究进展四、硬盘存储器-垂直磁存储技术自旋自旋一、序言电子电荷自旋在半导体材料中有电子和空穴两种载流子极化电子有自旋向上和向下的两种载流子电子M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有极化方向 的平均间隔时间10-9 秒， 自旋扩散长度100m。室温下自旋扩散长度钴 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

4、旋-轨道耦合与杂质原子或者缺陷发生相互作用被退极化。A.电子的输运性质自旋极化电子的特性lsdB.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 Ni Co Fe Ni80Fe20 Co50Fe50 Co84Fe16 自旋极化度() 33 45 44 48 51 49N和N分别表示在费密面自旋向上和向下的电子数。3d4sP=45%P=100%自旋极化电子的特性铁磁体磁化方向典型的两种效应：巨磁电阻GMR和隧道磁电阻TMR非磁金属Cu-GMR绝缘体Al2O3-TMR量子隧道效应示意图铁磁体铁磁体中间层绝

5、缘层势垒Rp=平行耦合时的电阻Rap=反平行耦合时的电阻 1986 在Fe/Cr/Fe纳米磁性多层膜发现反铁磁层间耦合效应二、巨磁电阻GMR是自旋电子学产生的基石1986年 P.Grnberg Fe/Cr/Fe 三明治结构中Cr适当厚度产生反铁磁耦合Unguris.et al.Phys.Rev.Lett.67(1991)140FeFeCr1nm反铁磁耦合与振荡效应的实验证明FeFeCr彼得格林贝格尔饱和磁场随Cr层厚度变化的振荡关系铁磁耦合反铁磁耦合1988年 Baibich,A.Fert等 发现(Fe/Cr)多层膜的巨磁电阻效应 金属多层膜的巨磁电阻反铁磁耦合(H=0)Phys.Rev.Le

6、tt.61(1988)2472Fe/CrCo/Cu阿尔贝费尔A.FertG. Binasch, P. Grnberg, et al., PRB 39 (1989) 4828.(Fe/Cr)n的R/R0磁电阻随周期数n的增加而增大Parkin.et al.Phys.Rev.Lett.64(1990)2304R/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1990年Parkin et al 多层膜的交换耦合振荡效应和巨磁电阻效应1020304051015Cr thickness ()Saturation Field (kOe)饱和磁场随Cr层厚度变化的振荡关系磁控溅射法(Co/

7、Cu多层膜)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-平均自由程长自旋电子极化方向反平行磁化强度方向-平均自由程短巨磁电阻 GMRCuCoGMR自旋阀SV1990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)4774Si/150NiFe/26Cu/150NiFe/150FeMn/20AgMR=7 %反铁磁层钉扎铁磁层自由铁磁层S iFeNi 15 nmFeNi 15 nmCu 2.6 nmFeMn

8、15 nmAg 2 nm MR=2.2 %GMR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)2004年 170Gbit/in2预计不久到 1000 Gbit/in2,最终可能到 50 Tbit/in2(100nm65Gbit/in2)2000100硬磁盘读出头的发展TMR磁头- 300 Gbit/in2 (2006)CompassingGlobal Position SystemsVehicle DetectionNavigationRotational Displ

9、acementPosition 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三、隧道磁电阻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/NiO/Ni，(Fe、Co)等发现磁隧道电阻效应IEEE Trans.Magn.18(1982)707钉扎铁磁层非磁绝缘层可变铁磁层电流方向电流方

10、向自旋极化电流磁化强度方向自旋极化度N和N分别表示在费密面自旋向上和向下的电子数。 电阻RP小 电阻RAP大隧道磁电阻 TMR量子隧道效应示意图(Fe/Al2O3/Fe)1995年 Miyazaki 在Fe/Al2O3/Fe三明治结构，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(一)氧化铝为绝缘层的磁隧道电阻自由复合铁磁层绝缘层反铁磁层钉扎铁磁层隧道结典型示例(二) MgO单晶势垒的磁隧道效

11、应w.wulfhekel Appl phys lett vol 78 509 (2001.1)用MBE制备单晶磁隧道结MgO(001)基片Fe MgO(001)Fe (001)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Fe(100)MgO 3.9MLFe(100)MgO 2MLFe 5MLFe(100)MgO 5MLAu2001.1实验结果2001.9 A.Fert小组用氧化镁做绝缘层，在30K得到TMR60CoFeB/MgO/CoFeB磁隧道结的TMRDjayaprawira.

12、 et al.Appl phys.lett.86.092502(2005)退火温度TA=3600C (2h，H=8kOe)採用磁控濺射技术制备MTJ (1mx1m)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Ru (7)Ta (10)MgO (1.8)Si基片Ta (10)PtMn (15)Co70Fe30 (2.5)Ru (0.85)Co60Fe20B20Co60Fe20B202005.2 实验结果室温: MR=23020K: MR=294RA=420m2RA=440m22006年12月日本日立公司和东北大学发表：TMR472写入读出位线字线

13、写线写线位线字线WWLRWLGNDBLMTJCMOS磁性隧道结的应用-MRAMMotorola MTJ MRAM structureMRAM与现行各存储器的比较（F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/bit2 F2/bit联接时间10 ns10 ns1.1 ns2 ns写入时间 10 ns10 s10 ns擦除时间1 ns10 s10 ns保持时间2.4 s10 years无穷循环使用次数无穷105无穷无穷工作电压(V)0

14、.5-0.6 V 5 V 0.6-0.5 V 1 V开关电压0.2 V5 V50 mVMRAMDRAMFLASH256Kb MRAM chipCourtesy of Motorola 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）MRAM内存储器：非挥发性；抗辐照；速度快外存储器：比Flash存取速度快1000倍; 功耗小；寿命长；密度高可能取代闪存Flash和硬盘四、硬盘存储器-垂直磁存储技术磁头磁盘(表面的多层磁存储材料薄膜也称为磁媒)基片(铝质或钢化玻璃)硬盘存储器成机(驱动器)

15、IBM RAMAC 19552 kbits/in250 x24” dia disksMicrodrive 20041 x 1” dia diskSize:430.5cm8 Gbyte5 Mbyte Seagate 2004108 Gbits/in23 x 3.5” disks目前总量: 750 Gbyte密度: 150 Gbit/in2 400 GbyteScaling磁盘片发展过程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100Gb面密度 Mbit/in21GbDeskstar 7K1000 * 1000/750 GB SATA * 最大磁录密度为每平方英寸148

16、GB * 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）/8.1（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 Deskstar 7K1000 SATA版本将于2007年第一季度上市，有750GB和1TB两种容量。1TB容量硬盘的建议零售价为399美元。日立环球存储科技（Hitachi GS

17、T）公司 硬磁盘硬磁盘可能的竞争对手(垂直磁记录)闪存 FlashMRAM读写速度机械运动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高存储密度读写速度快无运动部件完全是微电子工艺闪存 Flash价格偏高读写循环次数少寿命？浮动栅用量子点或纳米颗粒发现了电致各向异性电阻、磁电阻效应氧化物存储技术有可能成为信息存储器件的新原理SrTiO3La0.67Ca0.33MnO3RI100nmAB处理电脉冲电阻变化“1”“0”+-大电流处理小电流测量 首先通入大电流处理样品，然后撤掉处理电流，通入小电流沿不同方向测量电阻。发现和处理电流同向时电阻较小，反之电阻大的多。类似p-n结的整流

18、行为。表明电致各向异性电阻效应。相变存储技术Tx：晶化温度Tm：熔点Tg：玻璃化温度相变材料的特性： 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(读为“0” )，非晶态电阻大(读为“1” )。电极相变材料绝热层绝热层电极大电流擦除；中电流写入；小电流读出TgTmTx写入读出擦除GeSbTe五、物理所MRAM研究进展IOP/CASMTJ研究进展Head and MRAM 对性能的要求室温物理所IOP/CAS磁性隧道结研究进展4x4 MRAM DEMO16x16(6) 制备磁隧道结，完成 MRAM的封装Integrated 16x16 MRAM DEMOTa 5Ru 10Ta 5Co40Fe40B20 3Al 1.3-OxideCo40Fe40B20 1Co75Fe25 2Ru 0.8Co75Fe25 4Ir22Mn78 10Ta 20完成三十批次共33片磁性隧道结阵列的制备 封装出150余个44 MRAM演示芯片和150 余个1616