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1、巨磁阻效效应及其其在自旋旋电子学学方面的的应用 郭瑞瑞瑞 SSA08800220333 物物理系所谓磁电电阻(mmagnnetooressisttancce ,MR) 效应应,是指指某些铁铁磁性材材料在受受到外加加磁场作作用时引引起电阻阻变化的的现象。对于传传统的铁铁磁导体体,如FFe 、CCo 、NNi 及及其合金金等,在在大多数数情况下下,磁电电阻效应应很小(约3%或更低低)。而而巨磁阻阻效应(giaant maggnettoreesisstannce ,GMMR) ,是指指在磁性性材料和和非磁性性材料相相间的多多层膜中中,电阻阻率在有有外磁场场作用时时较之无无外磁场场作用时时存在巨巨大变
2、化化的现象象. 其其值较FFe 、NNi 合合金各向向异性磁磁电阻效效应约大大一个数数量级。巨巨磁阻效效应现在在已经成成为凝聚聚态物理理五大热热点之一一，20007年年物理学学诺贝尔尔奖就授授予了发发现巨磁磁阻效应应得法国国科学家家阿尔贝贝.菲尔和和德国科科学家彼彼得.格林贝贝格尔1。W.Thhom sonn在18857年年首先发发现了铁铁磁多晶晶体的各各项异性性磁效应应(AMMR, Aniisottropp icc Maagneetorresiistaancee)。119888 年,法国巴巴黎大学学的菲特特教授领领导的课课题组和和德国尤尤利希研研究中心心的格林林伯格教教授的课课题组几几乎同时
3、时独立发发现了巨巨磁电阻阻效应(GMRR) 2 3。20世纪纪90年代，人人们在FFe/CCu,FFe/AAl,CCo/CCu,CCo/AAg和Co/Au等等纳米结结构的多多层膜中中观察到到了显著著的巨磁磁阻效应应。19993年年，德国国西门子子公司的的Hellmollt等人人在Laa2/33Ba11/3MMnO33薄膜中中观察到到了600%的巨巨磁电阻阻效应，随随后在LLa2/3Caa1/33MnOO3 中中观察到到了1005%的的巨磁阻阻效应。119955年熊光光成等人人在美国国Marrylaand大大学发现现钙钛矿矿型锰氧氧化物NNd0.7Srr0.33MnOO3在777K，88 T 时
4、GMMR达到到了创纪纪录的1106%。近来来在许多多其他物物理系统统中也发发现了更更大的磁磁电阻效效应及有有关的物物理现象象, 颗颗粒膜磁磁电阻效效应、隧隧道磁电电阻效应应( TTunnneliing Maggnettoreesisstannce , TTMR) 以及及锰钙钛钛矿化合物物的庞磁磁电阻效效应( Collosssal Maggnettoree reesisstannce ,CMMR) 相继被被发现或或取得重重大的进进展。最近200年来,在新现现象、新新材料和和器件、新新技术应应用等方方面都出出现了若若干突破破性的进进展,并形形成新的的学科:磁电子子学。 随着着微电子子、光电电子技术
5、术的迅速速发展和和工艺成成熟,促促进了新新一代微微型磁敏敏器件的的发展.磁阻材材料在高高密度读读出磁头头磁传感感器、微微弱磁场场测量、各各类运动动的检测测等领域域有着宽宽广的应应用,从从而成为为国际上上引人瞩瞩目的研研究领域域. 磁磁电阻传传感器以以其特有有的优点点,广泛泛应用在在磁场测测量、数数据存储储、汽车车电子和和工业控控制的各各个领域域。而作作为巨磁磁阻电阻阻效应的的最新应应用，自自旋电子子器件将将带来许许多新的的发展。在半导体体工业迅迅速发展展的今天天，人们们发现现现在几乎乎所有的的电子产产品都只只利用了了电子的的电荷来来传输能能量和信信息。 作为为电子内内禀性质质的自旋旋, 除除了
6、材料料磁性和和简单的的能级简简并外, 几乎乎被完全全忽略。这这使人们们在探索索未来半半导体工工业发展展时有了了新的契契机和可可能的研研究方向向。自旋电子子学旨在在利用电电子自旋旋而非传传统的电电子电荷荷为基础础, 研研发新一一代电子子产品.在日常常的家用用电器中中导电电电子的自自旋取向向是无规规的: 50%电子自自旋向上上, 550%电电子自旋旋向下. 换句句话说, 电子子的自旋旋完全没没有起作作用.超超薄多层层磁性金金属薄膜膜中巨磁磁阻效应应(GMMR)的的发现, 标志志着一个个新时代代的开始始。通常金属属都有磁磁阻效应应,当磁磁场加到到金属样样品上时时, 因因为洛伦伦兹力的的作用或或霍尔效
7、效应会改改变电流流的运动动方向, 从而而引起样样品电阻阻发生改改变. 当电子子开始绕绕磁场转转动时,若没有有散射, 它对对电流没没有贡献献; 当当散射发发生后,由于电电场产生生的初始始速度会会影响下下一个回回旋轨道道.弛豫豫时间越越长(低低电阻) ,磁磁场作用用在电阻阻上的效效应就越越大, 通常的的磁阻率率/ (H /) 22 (为电阻阻, HH为磁场场)。 一一般的金金属像铁铁( FFe)和和钴(CCo)的的磁阻率率分别可可达到00. 88%和33. 00%.巨巨磁阻效效应并不不依赖于于电流相相对于磁磁化强度度的方向向, 而而是取决决于邻近近铁磁层层磁化强强度的相相对方向。一个个最重要要的特
8、征征是,当当中间隔隔离层的的厚度大大于电子子的平均均自由程程(约110 nnm)后后, 巨巨磁阻效效应就消消失了。这表明明相邻铁铁磁层决决定了自自旋散射射机制。由于磁磁性和非非磁性膜膜的厚度度在电子子的平均均自由程程内,当当磁性层层中磁化化强度平平行时,会增加加电子的的平均自自由程,反平行行时,会会减弱电电子的平平均自由由程,这这就导致致了巨磁磁阻效应应。后来还还发现了了磁阻率率更高的的隧穿磁磁阻效应应(TMMR) 。这些些效应已已广泛应应用于磁磁感应器器等商业业产品中中。作为一种种新的实实用化器器件自旋旋电子学学器件必必须具有有以下特特性: (1)它依赖赖于自旋旋极化的的载流子子或电子子自旋
9、；(2)运动的的自旋可可有效地地输运和和穿透界界面；(3)所有的的电子自自旋可保保留足够够长的时时间以致致能完成成所需的的物理操操作。近十几几年来，金属的的自旋电电子学器器件得到到了快速速发展和和广泛应应用。自旋流流在金属属铝和铂铂中的成成功测量量,标志志着自旋旋流有可可能首先先在金属属自旋电电子器件件中得到到应用。这这对于发发展新的的自旋电电子器件件具有至至关重要要的作用用。所以以以自旋旋流为目目标的巨巨磁阻效效应器件件具有很很高的研研究价值值，可以以作为一一个有价价值的研研究题目目。参考文献献1 Sarrah M TThommpsoon. Thee diiscooverry , deeve
10、llopmmentt anndfuuturre oof GGMR : TThe Nobbel Priize 20007 J . J . Phhys.D : Apppl. Phhys. 20008 ,411 (99) :09330011209930220.2BBaibbichh M N, Brooto J MM, FFertt A, Ngguyeen vvan Dauu F, Peetrooff F,EEiteennee P, Crreuzzet A, Friiedeericch AA annd CChazzelees JJ 19988 Phyys. Revv. LLettt. 661 2247223 Binnascch GG, GGruunbeerg P, Sauurennbacch FF annd ZZinnn W 19889 PPhyss.Reev. B 339 448288