第五讲 自旋极化输运及隧道巨磁电阻效应

简要回顾了利用量子隧道效应测定铁磁金属传导电子自旋极化率的研究历史，综述了自旋极化电子隧穿产应导致的“铁磁金属／非磁绝缘体／铁磁金属”三层平面型隧道结中的巨磁电阻效应以及“铁磁金属／非磁绝缘体”颗粒膜系统中的隧穿类型巨磁电阻效应的研究进展。     

自旋输运和巨磁电阻--自旋电子学的物理基础之一

介绍磁性纳米结构和锰氧化物中电子的自旋极化输运和巨磁电阻效应，它们是新近发展的自旋电子学的物理基础之一．着重讨论的是以下三方面的基本物理图像：磁多层结构的巨磁电阻，铁磁隧道结的隧穿磁电阻，掺杂锰氧化物的庞磁电阻效应．     

自旋输运和巨磁电阻——自旋电子学的物理基础之一

介绍磁性纳米结构和锰氧化物中电子的自旋极化输运和巨磁电阻效应,它们是新近发展的自旋电子学的物理基础之一.着重讨论的是以下三方面的基本物理图像：磁多层结构的巨磁电阻,铁磁隧道结的隧穿磁电阻,掺杂锰氧化物的庞磁电阻效应.     

磁电子学中的若干问题

本文综述了自旋极化输运过程中巡游电子的自旋极化、自旋相关的散射及自旋弛豫等三方面的内容；全面总结了铁磁金属的磁电阻效应（ＡＭＲ）、磁性金属多层膜和颗粒膜的巨磁电阻效应（ＧＭＲ）、氧化物铁磁体的特大磁电阻效应（ＣＭＲ）以及磁隧道结的巨大隧道电阻效应（ＴＭＲ）研究中具有代表性的实验结果及理论模型；简单介绍了新生的磁电子器件—磁电阻型随机存取存储器（ＭＲＡＭ）和全金属自旋晶体管的工作原理和工作过程。     

对称抛物势阱磁性隧道结中的自旋输运及磁电阻效应

研究了两端具有铁磁接触的对称抛物势阱磁性隧道结(F/SPW/F)中自旋相关的隧穿概率和隧穿磁电阻,讨论了量子尺寸效应和Rashba 自旋轨道耦合作用对自旋极化输运特性的影响.研究结果表明:隧穿概率和隧穿磁电阻随抛物势阱宽度的增加发生周期性的振荡.抛物势阱深度的增加减小了隧穿概率和隧穿磁电阻的振荡频率.Rashba 自旋轨道耦合强度的增加加大了隧穿概率和隧穿磁电阻的振荡频率.隧穿概率和隧穿磁电阻的振幅和峰谷比强烈依赖于两铁磁电极中磁化方向的夹角. 关键词： 磁性隧道结 Rashba 自旋轨道耦合 隧穿概率 隧穿磁电阻     

磁电子学中的若干问题

本文综述了自旋极化输运过程中巡游电子的自旋极化、自旋相关的散射及自旋弛豫等三方面的内容;全面总结了铁磁金属的磁电阻效应（ＡＭＲ）、磁性金属多层膜和颗粒膜的巨磁电阻效应（ＧＭＲ）、氧化物铁磁体的特大磁电阻效应（ＣＭＲ）以及磁隧道结的巨大隧道电阻效应（ＴＭＲ）研究中具有代表性的实验结果及理论模型;简单介绍了新生的磁电子器件—磁电阻型随机存取存储器（ＭＲＡＭ）和全金属自旋晶体管的工作原理和工作过程。     

铁磁金属量子阱态的共振隧穿

非铁磁金属层中的量子阱态在磁输运过程中的重要性已被广泛认识．铁磁金属层中自旋极化的量子阱态以前并没有详尽的理论研究；实验上也没有清晰地观测到自旋极化量子阱态的隧穿．文章介绍了最近由卢仲毅、张晓光和Pantelides预言的Fe／MgO／FeO／Fe／Cr和其他铁磁量子阱隧道结中的共振隧穿，并解释铁、钴、铬的△1能带的对称性在这种共振隧穿中的作用．     

NM/FI/NI/FI/NM新型双自旋过滤隧道结的隧穿电导和隧穿磁电阻

在NM/FI/FI/NM型双自旋过滤隧道结(此处NM为非磁金属层，FI为铁磁绝缘体或半导体层)的基础上，我们提出一种NM/FI/NI/FI/NM新型双自旋过滤隧道结(此处NI表示非磁绝缘体或半导体层). 插入NI层的目的是为了避免原双自旋过滤隧道结中相邻FI层界面处磁的耦合作用所导致的对隧穿磁电阻的不利影响. 在自由电子近似的基础上，利用转移矩阵方法，对NM/FI/NI/FI/NM新型双自旋过滤隧道结的隧穿电导、隧穿磁电阻与FI层及NI层厚度的变化关系以及随偏压的变化关系进行了理论研究.计算结果表明，在NM/FI/NI/FI/NM新型双自旋过滤隧道结中仍可以得到很大的TMR值. 关键词： 双自旋过滤隧道结 隧穿磁电阻 非磁绝缘(半导)体间隔层     

金属-氧化物界面在磁隧道结中的作用

磁隧道结通常是指由两层磁性金属和它们所夹的一层氧化物绝缘层 (Ⅰ )所组成的三明治结构 .通过绝缘层势垒的隧穿电子是自旋极化的 ,这种自旋极化能够反映作为电极的铁磁金属费米能级处态密度 (ＤＯＳ)的变化 .起源于自旋极化的隧道磁阻(ＴＭＲ)效应已成为当代磁学的一个研究热点 .尽管目前在ＴＭＲ的研究和应用方面已有所发展 ,但在理解隧穿自旋极化方面还存在一定的分歧 ,争论的焦点是金属 -氧化物界面对自旋极化的影响 .对于Ｃｏ、Ｎｉ等铁磁金属 ,由于多数自旋电子所处的ｄ带位于费米能级之下 ,理论预期其自旋极化应该是负的 .然而Ｆ/Ａ…     

反铁磁Cr插入层对CoFe/MgO/CoFe磁性隧道结的隧穿磁电阻的影响

利用基于密度泛函理论和非平衡态格林函数的第一性原理计算研究了CoFe/MgO/CoFe磁性隧道结的隧穿磁电阻效应。给出了该隧道结隧穿磁电阻与偏压的依赖关系,并计算了平行结构与反平行结构相应的I-V特性曲线和传输谱。通过在一侧电极与势垒层之间插入反铁磁金属Cr层,观察到了隧穿磁电阻、电导随插入层Cr层数增加发生衰减和2个原子层周期的振荡现象,这主要是由于Cr拥有反铁磁结构,在Cr/MgO界面形成了与Cr磁矩取向相关的界面散射。     

反铁磁Cr插入层对CoFe/MgO/CoFe磁性隧道结的隧穿磁电阻的影响

利用基于密度泛函理论和非平衡态格林函数的第一性原理计算研究了CoFe/MgO/CoFe磁性隧道结的隧穿磁电阻效应。给出了该隧道结隧穿磁电阻与偏压的依赖关系,并计算了平行结构与反平行结构相应的I-V特性曲线和传输谱。通过在一侧电极与势垒层之间插入反铁磁金属Cr层,观察到了隧穿磁电阻、电导随插入层Cr层数增加发生衰减和2个原子层周期的振荡现象,这主要是由于Cr拥有反铁磁结构,在Cr/MgO界面形成了与Cr磁矩取向相关的界面散射。     

自旋电子学材料、物理和器件设计原理的研究进展

文章介绍了作者所在实验室在巨磁电阻(GMR)、隧穿磁电阻(TMR)、庞磁电阻(CMR)和反铁磁钉扎薄膜材料以及单晶金属氧化物、高自旋极化率材料、P-N异质结和纳米环磁随机存储器原理型演示器件设计等研究方面取得的一些重要研究成果和进展.例如:在Al-O势垒磁性隧道结材料体系里,获得室温磁电阻超过80%的国际最好结果;获得两种高性能层状反铁磁钉扎材料体系;发现具有大的电致电阻效应的CMR薄膜材料,并可期望用于电流直接进行磁信息写和读操作的磁存储介质;发现双势垒磁性隧道结中的量子阱态共振隧穿和磁电阻振荡效应,以及纳米器件体系中自旋翻转长度的观测新方法,可用于新型自旋电子学材料及相关器件的人工辅助设计;利用电子自旋共振谱探测和研究了金属氧化物的微观自旋结构和各向异性;在[CoFe/Pt]n磁性金属多层膜中,观测到超高灵敏度的反常霍尔效应;利用纳米环状磁性隧道结作为存储单元,研制出一种新型纳米环磁随机存储器MRAM原理型演示器件.     

自旋电子学材料、物理和器件设计原理的研究进展

文章介绍了作者所在实验室在巨磁电阻(GMR)、隧穿磁电阻(TMR)、庞磁电阻(CMR)和反铁磁钉扎薄膜材料以及单晶金属氧化物、高自旋极化率材料、P-N异质结和纳米环磁随机存储器原理型演示器件设计等研究方面取得的一些重要研究成果和进展.例如：在Al-O势垒磁性隧道结材料体系里,获得室温磁电阻超过80%的国际最好结果;获得两种高性能层状反铁磁钉扎材料体系;发现具有大的电致电阻效应的CMR薄膜材料,并可期望用于电流直接进行磁信息写和读操作的磁存储介质;发现双势垒磁性隧道结中的量子阱态共振隧穿和磁电阻振荡效应,以及纳米器件体系中自旋翻转长度的观测新方法,可用于新型自旋电子学材料及相关器件的人工辅助设计;利用电子自旋共振谱探测和研究了金属氧化物的微观自旋结构和各向异性;在［CoFe/Pt］n磁性金属多层膜中,观测到超高灵敏度的反常霍尔效应;利用纳米环状磁性隧道结作为存储单元,研制出一种新型纳米环磁随机存储器MRAM原理型演示器件.     

磁电阻效应的研究进展

介绍了磁电阻效应的研究状况和进展,总结了铁磁金属的磁电阻效应、磁性多层膜和颗粒膜的巨磁阻效应、磁隧道电阻效应及氧化物铁磁体的超大磁阻效应的理论模型,并简要分析了磁电阻效应的物理机制。     

Co-SiO2颗粒膜的巨磁电阻效应

采用离子束溅射方法在玻璃基片上制备了一系列的Co-SiO2颗粒膜样品,并对样品的巨磁电阻效应进行了研究.在Co35(SiO2)65(体积百分比)颗粒膜样品中,观测到室温下近4%的巨磁电阻效应.研究了不同基片温度对巨磁电阻效应的影响并发现,随着基片温度的升高样品的巨磁电阻效应下降.根据样品的电阻率-温度关系曲线分析,在铁磁金属-非磁绝缘介质颗粒膜中,除了电子自旋相关隧穿效应外,可能还存在其他的导电机制.     

反铁磁Cr插入层对CoFe/MgO/CoFe磁性隧道结的隧穿磁电阻的影响

利用基于密度泛函理论和非平衡态格林函数的第一性原理计算研究了CoFe/MgO/CoFe磁性隧道结的隧穿磁电阻效应.给出了该隧道结隧穿磁电阻与偏压的依赖关系,并计算了平行结构与反平行结构相应的I-V特性曲线和传输谱.通过在一侧电极与势垒层之间插入反铁磁金属Cr层,观察到了隧穿磁电阻、电导随插入层Cr层数增加发生衰减和2个原子层周期的振荡现象,这主要是由于Cr拥有反铁磁结构,在Cr/MgO界面形成了与Cr磁矩取向相关的界面散射.     

铁磁金属量子阱态的共振隧穿

非铁磁金属层中的量子阱态在磁输运过程中的重要性已被广泛认识.铁磁金属层中自旋极化的量子阱态以前并没有详尽的理论研究;实验上也没有清晰地观测到自旋极化量子阱态的隧穿.文章介绍了最近由卢仲毅、张晓光和Pantelides［1］预言的Fe/MgO/FeO/Fe/Cr和其他铁磁量子阱隧道结中的共振隧穿,并解释铁、钴、铬的Δ1能带的对称性在这种共振隧穿中的作用.     

Co SiO2颗粒膜的巨磁电阻效应

采用离子束溅射方法在玻璃基片上制备了一系列的Co－SiO\-2颗 粒膜样品,并对样品的巨磁电阻效应进行了研究.在Co35(SiO\-2)65(体积 百分比)颗粒膜样品中,观测到室温下近4%的巨磁电阻效应.研究了不同基片温度对巨磁电 阻效应的影响并发现,随着基片温度的升高样品的巨磁电阻效应下降.根据样品的电阻率温度关系曲线分析,在铁磁金属- 非磁绝缘介质颗粒膜中,除了电子自旋相关隧穿效应外, 可能还存在其他的导电机制. 关键词：     

磁性多层膜的巨磁电阻随铁磁和非磁层厚度变化的唯象理论计算

根据唯象理论，并采用以铁磁─非磁混合层代替铁磁／非磁层界面的理论方法，计算了Ｆｅ／Ｃｒ多层膜的巨磁电阻随铁磁和非磁层厚度的变化关系与实验结果做了比较，发现它们符合得较好．还绘出了巨磁电阻随铁磁和非磁层厚度变化的二元函数图 关键词：     

利用金属掩模法制备钉扎型磁性隧道结

利用金属掩模法和Ir22Mn78合金反铁磁钉扎层，制备了四种钉扎型的Py/Al2O3/Py，Py/Al2O3/Co，Co/Al2O3/Py和Co/Al2O3/Co磁性隧道结，坡莫合金的成分为Py＝Ni79Fe21.例如：利用狭缝宽度为100?μm的金属掩模，直接制备出室温隧穿磁电阻比值为17.2%的磁性隧道结Co/Al2O3/Co，其结电阻为76Ω,结电阻和结面积的积矢为76×10_{4Ωμm2，自由层的偏转场为1114?A/m，并且在外加磁场0.1114A·m-1之间时室温磁电阻比值 关键词： 磁性隧道结 隧穿磁电阻 磁随机存储器 金属掩模}