自旋電子學(xué)研究進(jìn)展(磁學(xué)會(huì)議)-預(yù)覽頁
【正文】 通常只有在磁性原子附近通過交換作用或者通過自旋軌道耦合與雜質(zhì)原子或者缺陷發(fā)生相互作用被退極化。 一旦嚴(yán)格周期性勢場被破壞 ( 如：溫度升高原子的振動(dòng)，多晶體晶粒的晶界，晶體中的雜質(zhì)或缺陷等 )電子波受到散射 。 電子通過磁化的鐵磁材料，產(chǎn)生自旋極化電子，極化電子有向上和向下的兩種載流子，利用 自旋向上 或 向下 兩種載流子的特性能否 做成新的電子器件 ？更進(jìn)一步能否 利用四種載流子制造電子器件 ？ 電子 一、序言 電子在固體中的輸運(yùn)性質(zhì) 晶體中的電子是在一個(gè)具有晶格周期性的等效勢場中運(yùn)動(dòng) ? ?2 22h VEm ? ? ???? ? ? ?????? ? ? ?nV V r R? ??波動(dòng)方程解 (布洛赫定理 )： ? ? ? ?nik Rnr R e r????布洛赫函數(shù) ? ? ? ?ik rr e u r? ?? ? ? ?nu r R u r?? 在嚴(yán)格的周期性勢場下 (絕對零度 00K，完整的單晶 )， 前進(jìn)的電子波是完全 “透明” 的 。 極化電子自旋保持原有極化方向的平均間隔時(shí)間 109 秒， 自旋擴(kuò)散長度 100?m。 納米柱器件 GMR=% 例如： 典型的兩種效應(yīng)： 巨磁電阻 GMR和 隧道磁電阻 TMR 非磁金屬 CuGMR 絕緣體 Al2O3TMR Co/Cu多層膜 磁化強(qiáng)度平行， RP電阻小 磁化強(qiáng)度反平行， RAP電阻大 RP RP RP RP RAP RAP RAP RAP 二流體模型 A P PPRRMRR??自旋電子極化方向平行磁化強(qiáng)度方向 自旋電子極化方向反平行磁化強(qiáng)度方向 巨磁電阻 GMR 自旋極化度 NNPNN????????N↑和 N↓分別表示在費(fèi)密面自旋向上和向下的電子數(shù)。NiFe/150197。 (1975)225 1982年 Maekawa等 在 Ni/NiO/Ni， (Fe、 Co)等發(fā)現(xiàn)磁隧道電阻效應(yīng) IEEE (1982)707 1995年 Miyazaki 在 Fe/Al2O3/Fe三明治結(jié)構(gòu)， 在室溫下有 ％ 的磁隧道電導(dǎo)變化，磁場靈敏度為 8％ /Oe。 鍍上金 Au電極層 實(shí)驗(yàn)為理論提供條件 Fe(100) MgO Fe(100) MgO 2ML Fe 5ML Fe(100) MgO 5ML Au Spindependent tunneling conductance of Fe/MgO/Fe sandwiches 63. 054416 () 用第一性原理計(jì)算隧道電導(dǎo)和磁電導(dǎo) 小原子是鎂，大原子是鐵，大原子上的黑球是氧。 MgO界面附近的 Fe在費(fèi)米面 附近的態(tài)密度 Fe界面附近的 MgO在費(fèi)米面 附近的態(tài)密度 計(jì)算： 計(jì)算 Fe/MgO/Fe(k//=0) 隧道態(tài)密度 TDOS 多數(shù)電子 少數(shù)電子 磁矩平行 磁矩反平行 對于 k//=0 Fe(100)有四個(gè)布洛赫態(tài)： 一個(gè) ?1，兩重簡并態(tài) ?5 ，一個(gè) ?2’ 在 MgO中有不同的衰減， ?1只在多數(shù)電子時(shí)在費(fèi)米面附近 有較高態(tài)密度。 3x12?m2) Fe (001) MgO (001) Fe (001) 單晶 MgO(001)基片 MgO厚度 tMgO=。 MTJ結(jié)的面積 10?m2。并又投入數(shù)十億日元開展 256M容量的 MRAM演示芯片的研制。 TC RT 能隙 M a ter i a l E g ( e V ) D op i n g M o ment ( 181。 GaAs 30197。 structure Si/SiO2 sub Ru 5nm Ni78Fe22 10nm Co60Fe20B20 4nm Co60Fe20B20 4nm Ru Co75Fe25 3nm Ir20Mn80 12nm Ni78Fe22 10nm Ru 5nm Cu 5nm Ru 5nm MR distribution Destroyed by line break 畫圖處理數(shù)據(jù)需要人為加上的 ,實(shí)際電阻很小，短路 R distribution MR distribution Hc(Oe) Hc distribution Inversion CharacteristicsVds=1V01020304050607080 Vgs(V)Ids(*106A)Transconductance Characteristics,Vgs=, respectively Vds(V)Ids(*106A)Vgs柵電壓； Ids源漏電流； Vds源漏電壓 每一個(gè)單元 6x7mm2，含有 2個(gè) 16x16陣列； 8個(gè) 4x4陣列； 1x4陣列等 CMOS研制性能 300 200 100 0 100 200 300 H(Oe) R(K?) S=200x200nm2 TMR=% RA=250??2 300 200 100 0 100 200 3006. 06. 26. 46. 66. 87. 07. 27. 47. 67. 8 R(K?)H (O e)S=20 0 * 2 0 0 n mR A=25 0 ?? m2T M R =26 . 3 % 納米尺寸的磁隧道結(jié)
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