自旋电子学研究进展(磁学会议).ppt

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1、,自旋电子学研究进展,一、序言,二、巨磁电阻GMR,三、隧道磁电阻TMR,四、半导体自旋电子,五、MRAM研究进展,在半导体材料中有电子和空穴两种载流子，利用这两种载流子的输运性质，1947年发明了晶体管，开创了信息时代。 电子通过磁化的铁磁材料，产生自旋极化电子，极化电子有向上和向下的两种载流子，利用自旋向上或向下两种载流子的特性能否做成新的电子器件？更进一步能否利用四种载流子制造电子器件？,一、序言,电子在固体中的输运性质,晶体中的电子是在一个具有晶格周期性的等效势场中运动,波动方程解(布洛赫定理)：,布洛赫函数,在严格的周期性势场下(绝对零度00K，完整的单晶)，前进的电子波是完全“透明

2、”的。一旦严格周期性势场被破坏( 如：温度升高原子的振动，多晶体晶粒的晶界，晶体中的杂质或缺陷等 )电子波受到散射。,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,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。,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

3、 Ni Co Fe Ni80Fe20 Co50Fe50 Co84Fe16 自旋极化度() 33 45 44 48 51 49,N和N分别表示在费密面自旋向上和向下的电子数。,自旋电子学产生的背景：, 能在纳米尺度制备多层薄膜；, 微电子工艺能制备亚微米器件；, 纳米尺寸下新物理效应的发现；, 信息存储发展的需求。,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,巨磁电阻GMR,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。, 电阻小, 电阻大,隧道磁电阻TMR,自旋电子现象研究进程,二、巨磁电阻GMR,纳米尺度的效应,1986年 G

4、runberg Fe/Cr/Fe 三明治结构中Cr适当厚度产生反铁磁耦合,Phys.Rev.Lett. 57 (1986) 2442,Unguris.et al.Phys.Rev.Lett.67(1991)140,Fe,Fe,Cr1nm,(Fe/Cr)n的R/R0磁电阻随周期数n的增加而增大,1988年 Baibich等 发现(Fe/Cr)多层膜的巨磁电阻效应,Phys.Rev.Lett.61(1988)2472,Parkin.et al.Phys.Rev.Lett.64(1990)2304,金属多层膜的巨磁电阻,反铁磁耦合(H=0),R/R()随Cr厚度变化的振荡关系,饱和磁场随Cr层厚度变

5、化的振荡关系,GMR自旋阀,1990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)4774,Si/150NiFe/26Cu/150NiFe/150FeMn/20Ag,MR=7 %,MR=2.2 %,增加纳米氧化层的自旋阀,Koui.et al和Huai et al 8th.Joint MMM-Intermag Conference2001,R/R=15 ( 10 ),8%,GMR的部分应用,硬盘读出磁头 GMR隔离器 传感器 GMR-type MRAM,(Honeywell公司曾制作出1

6、Mb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),硬磁盘读出头的发展,Courtesy of NVE,Compassing,Global Position Systems,Vehicle Detection,Navigation,Rotational Displacement,Position Sensing,Current Sensing,Communication Products 通信产品,The World of Magnetic Sensors,罗

7、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TMR,1975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)225,1982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,J.Magn.Magn.Mater.139(1995)L231-151(1995)403,Fe/Cr/Fe电阻隧磁场变化,Fe/Cr/Fe磁滞回线,制备态和热处理后,77K和4.2K,X.F.Han et al

8、l.Jpn.J.Appl.Phys.39(2000) L441.,2000年 TMR达到50 (Al2O3为0.8nm),TMR=22%,TMR=50%,制备态,退火态,单晶MgO做底层，相邻铁形成单晶的 TMR,Europhys Lett.,52(3),pp.344-350 (2000),各向异性的磁隧道电阻,硅基片上的MgO单晶做底层， 高取向织构Fe的隧道结TEM的断面像。,当电子波矢k逐渐偏离势垒法线方向，电子隧穿几率急剧减小,这就是自旋极化的各向异性起因。,MgO单晶势垒的磁隧道效应,w.wulfhekel Appl phys lett vol 78 509 (2001.1),用MB

9、E制备单晶磁隧道结,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,2001.1实验结果,Spin-dependent tunneling conductance of Fe/MgO/Fe sandwiches W.H.Butler Phys.Rev.B.Vol 63. 054416 (2001.1),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面 附近态密度完全不同。

10、,结构模型,多数电子和少数电子在费米面 附近态密度大体相同。,MgO界面附近的Fe在费米面 附近的态密度,Fe界面附近的MgO在费米面 附近的态密度,计算：,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，因此自旋极化率为100%。,理论预言TMR可达到100

11、0,相干自旋极化隧穿的Fe/MgO/Fe隧道结,S.Yuasa Jpn J Appl phys vol 43 L588 (2004.4),室温：TMR=88%,3x12m2,超过Al2O3非晶势垒(TMR70%),最大的输出电压380mv,1相当于半金属能带,380mv,88%,2004.4 实验结果,单晶 Fe/MgO/Fe磁隧道结的TMR,Yuasa.s.et al.Nature Mater.3,868-871(2004.10),垂直方向： MgO001(Fe001)轴，001方向MgO晶格常数为0.221nm,水平方向： MgO100(Fe110)轴，100方向MgO晶格常数为0.208

12、nm,tMgO=1.8nm,隧道结是用MBE技术制备的单晶隧道结。(3x3m2; 3x12m2),Fe (001),MgO (001),Fe (001),单晶MgO(001)基片,MgO厚度tMgO=2.3nm;测试偏压为10mV.,低结电阻：RA30010km2,2004.10 实验结果,CoFe/MgO/CoFe磁隧道结的TMR,4K：MR=300,室温：MR=220,Parkin.S.S.P.et al. Nature.Mater.3,862-867(2004),用磁控濺射制备的MgO磁隧道(80 x80m2),三种样品的TMR与退火温度的关系，图中所示为样品的退火温度,TA=3800C

13、,TA=3600C,TA=3700C,2004.10 实验结果,热稳定性可超过4000C,有利于与CMOS配合,MgO:立方晶体(100)织构； CoFe：b.c.c.(100)织构；IrMn：f.c.c.(100)织构,CoFeB/MgO/CoFeB磁隧道结的TMR,Djayaprawira. 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,2005.2 实验结果,TMR与自旋

14、极化率的关系 (实线是Julliere模型期待值),磁性隧道结的应用,* 动态随机存储器MRAM,* 硬盘读出磁头,* 磁性传感器,高灵敏磁场传感器,SQUIDs 1.5厘米2低温4.2K的灵敏度约1fT/Hz1/2；用高温超导材料，灵敏度约为30fT/Hz1/2。 MTJ+超导环：4.2K的灵敏度为40pT/Hz1/2( GMR )。理论预言用TMR灵敏度可达0.01fT/Hz1/2。MTJ结的面积10m2。,1997年 MIT报道用磁隧道阀做成的磁头，硬盘的磁存储密度为 几十Gbit/in2。,( 1fT =1x10-15T ),Science 304(2004)1648,Motorola

15、 MTJ MRAM structure,写入,读出,位线,字线,写线,写线,位线,字线,CMOS,MRAM与现行各存储器的比较（F为特征尺寸）,MRAM,DRAM,FLASH,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）,Progress in MRAM,国外研究现状和发展趋势,2003年在日本文部省和通产省支持下己基本完成100-200Gbit/in2磁读出头原型器件的研制。并又投入数十亿日元开展256M容量的MRAM演示芯片的研制。,金属-半导体界面势垒,金属-真空界面,m

16、 ：功函数,金属中的电子逸出到真空中所 需要的最低能量,B ：外加电场使势垒降低值,-Ex ：外加电场,热电子发射：金属中的电子靠热运动能量逸出 金属的电子。,金属-半导体界面,s ：电子亲和能，导带底的电子进入真空所需 要的能量,s ：半导体功函数，从真空能级到费米能级的 能量差,肖特基效应：外加电场导致金属势垒降 低的现象,例如：外加电场为E=106(V/m)，那么，势垒 的顶点出现在x=23.5nm处，=39(meV),金属-半导体整流结称为肖特基势垒,对于p型半导体：,mss 时形成整流接触,mss 时形成欧姆接触,n 型半导体与金属接触形成的肖特基势垒,B=m-s-, 是由于界面电场

17、导致势垒的降低,肖特基势垒 B ：,MR0.55,通过铁磁层把自旋电子注入二维电子气,( 实验 ),接触尺寸 2x16m2,例一,例二,自旋检测,自旋阀检测,电位计检测,自旋注入的电极材料解决肖特基势垒问题,高自旋极化率材料,为什么要研究半金属材料和稀磁半导体?,Type M,Fe3O4, Sr2FeMoO6,Mn2VAl,Type M,Examples: CrO2; NiMnSb,(Co1-xFex)S2,(La0.7Sr0.3) O3,Type I half metals,半金属特征： 少数自旋在费米面态密度为零,Crystal structures,Anatase Structure S

18、pacegroup=I4/amd a=3.79A c=9.51A Ti radius=0.62A N radius=1.35A,Rutile Structure Spacegroup=P42/mnm a=4.75A c=3.18A Sn radius=0.74A O radius=1.35A,Wurtzite Structure Spacegroup=P63/mc a=3.25A c=5.21A Zn radius=0.80A O radius=1.21A,ZnO,TiO2,SnO2,稀磁半导体,金红石,锐钛矿,纤锌矿,Ti,O,Zn,O,Sn,O,4x1/4,8x1/8,8x1/8,8x1/

19、8,8x1/4,2x1,4x1/2,8x1/2,4x1/2,1x1,2x1,1x1,1x1,1x1,Moments in SnO2,ZnO: Co films (Zn 1-xCox)O,Co实验数据混乱,Moments in TiO2 and ZnO,Dilute ferromagnetic oxides; TC RT,能隙,Spin diffusion lengths (nm),自旋扩散长度,00C,半导体自旋电子器件,( 铁磁半导体电极 ),PRL 87(2001)026602,磁隧道三极管 (隧道热电子注入),Ic 集电极电流,科学进步提出需求,五、MRAM研究进展,CMS-18HV M

20、odel Magnetron sputtering System made in USA KJLC,Ion milling system made in China,4硅片上MTJ检测结构示意图,4-inch wafer As-grown,MRAM原型器件研制的进展,VSM 测量结果,2525 m2 磁性隧道结的结电阻和TMR值,4硅片,M(a.u.),VSM测量磁滞回线,最近的MTJ性能,Junction size: 4x8m,Mask & structure,MR distribution,画图处理数据需要人为加上的,实际电阻很小，短路,R distribution,MR distribution,Hc(Oe),Hc distribution,Vgs栅电压；Ids源漏电流；Vds源漏电压,每一个单元6x7mm2，含有2个16x16阵列；8个4x4阵列；1x4阵列等,CMOS研制性能,纳米尺寸的磁隧道结,