巨磁電阻和自旋電子學(xué)-北京大學(xué)物理學(xué)院課件

巨磁電阻和自旋電子學(xué)詹文山中國科學(xué)院物理研究所磁學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2007.12.2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)巨磁電阻和自旋電子學(xué)詹文山中國科學(xué)院物理研究所磁學(xué)國家1PeterGrünberg---克魯伯格1939年5月18日出生。從1959年到1963年，克魯伯格在法蘭克福約翰-沃爾夫?qū)?歌德大學(xué)學(xué)習(xí)物理，1962年獲得中級文憑，1969年在德國達(dá)姆施塔特技術(shù)大學(xué)獲得博士學(xué)位。1988年，他在尤利西研究中心研究并發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)；1992年被任命為科隆大學(xué)兼任教授；2004年在研究中心工作32年后退休，但仍在繼續(xù)工作。他1994年獲美國物理學(xué)會(huì)頒發(fā)的新材料國際獎(jiǎng)(Fert、Parkin共同獲得)；1998年獲由德國總統(tǒng)頒發(fā)的德國未來獎(jiǎng)；2007年獲沃爾夫基金獎(jiǎng)物理獎(jiǎng)(與Fert共同獲得)。AlbertFert---費(fèi)爾1938年3月7日出。1962年在巴黎高等師范學(xué)院獲數(shù)學(xué)和物理碩士學(xué)位。1970年從巴黎第十一大學(xué)獲物理學(xué)博士學(xué)位，前在該校任物理學(xué)教授。他從1970年到1995年一直在巴黎第十一大學(xué)固體物理實(shí)驗(yàn)室工作。后任研究小組組長。1988年，他發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)，隨后對自旋電子學(xué)作出過許多杰出貢獻(xiàn)。1994年獲美國物理學(xué)會(huì)頒發(fā)的新材料國際獎(jiǎng)，1995年至今則擔(dān)任國家科學(xué)研究中心-Thales集團(tuán)聯(lián)合物理小組科學(xué)主管,1997年獲歐洲物理協(xié)會(huì)頒發(fā)的歐洲物理學(xué)大獎(jiǎng)，以及2003年獲法國國家科學(xué)研究中心金獎(jiǎng)。

PeterGrünberg---克魯伯格AlbertFe2一、序言二、巨磁電阻GMR三、隧道磁電阻TMR五、物理所MRAM研究進(jìn)展四、硬盤存儲(chǔ)器--垂直磁存儲(chǔ)技術(shù)一、序言二、巨磁電阻GMR三、隧道磁電阻TMR五、物理所MR3自旋自旋一、序言電子電荷自旋在半導(dǎo)體材料中有電子和空穴兩種載流子極化電子有自旋向上和向下的兩種載流子電子M自旋自旋一、序言電子電荷自旋在半導(dǎo)體材料中有電子和空穴兩種載4低溫下電子彈性散射的平均時(shí)間間隔10-13秒，平均自由程10nm。非彈性散射的平均時(shí)間間隔10-11秒，相位干涉長度1m。極化電子自旋保持原有極化方向的平均間隔時(shí)間10-9秒，自旋擴(kuò)散長度100m。室溫下自旋擴(kuò)散長度鈷鐵FeNi金銀銅鋁自旋向上↑5.5nm1.5nm4.6nm自旋向下↓0.6nm2.1nm0.6nm1-10m電子的自旋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。A.電子的輸運(yùn)性質(zhì)自旋極化電子的特性lsd低溫下電子彈性散射的平均時(shí)間間隔10-13秒，平均5B.電子自旋極化度

當(dāng)電子通過鐵磁金屬時(shí)，電子由簡并態(tài)，變成向上(+1/2)和向下(-1/2)的非簡并態(tài)，極化度表示為自旋極化度實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

材料NiCoFeNi80Fe20Co50Fe50Co84Fe16自旋極化度(％)334544485149N↑和N↓分別表示在費(fèi)密面自旋向上和向下的電子數(shù)。3d4sP=45%P=100%自旋極化電子的特性鐵磁體磁化方向B.電子自旋極化度當(dāng)電子通過鐵磁金屬時(shí)，電子由簡6典型的兩種效應(yīng)：巨磁電阻GMR和隧道磁電阻TMR非磁金屬Cu-GMR絕緣體Al2O3-TMR量子隧道效應(yīng)示意圖鐵磁體鐵磁體中間層絕緣層勢壘Rp=平行耦合時(shí)的電阻Rap=反平行耦合時(shí)的電阻典型的兩種效應(yīng)：巨磁電阻GMR和隧道磁電阻TMR非磁金屬Cu71986在Fe/Cr/Fe納米磁性多層膜發(fā)現(xiàn)反鐵磁層間耦合效應(yīng)二、巨磁電阻GMR是自旋電子學(xué)產(chǎn)生的基石1986在Fe/Cr/Fe納米磁性多層膜發(fā)現(xiàn)反鐵磁層間81986年P(guān).GrünbergFe/Cr/Fe三明治結(jié)構(gòu)中Cr適當(dāng)厚度產(chǎn)生反鐵磁耦合Unguris.etal.Phys.Rev.Lett.67(1991)140FeFeCr～1nm反鐵磁耦合與振蕩效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)證明FeFeCr彼得·格林貝格爾↑↑↑↑↑↑↑↓↑↓↑↓飽和磁場隨Cr層厚度變化的振蕩關(guān)系鐵磁耦合反鐵磁耦合1986年P(guān).GrünbergUnguris.e91988年Baibich,A.Fert等發(fā)現(xiàn)(Fe/Cr)多層膜的巨磁電阻效應(yīng)金屬多層膜的巨磁電阻反鐵磁耦合(H=0)Phys.Rev.Lett.61(1988)2472Fe/CrCo/Cu阿爾貝·費(fèi)爾1988年Baibich,A.Fert等金屬多層10A.FertG.Binasch,

P.Grünberg,etal.,PRB39(1989)4828.A.FertG.Binasch,P.Grünberg,11(Fe/Cr)n的R/R0磁電阻隨周期數(shù)n的增加而增大Parkin.etal.Phys.Rev.Lett.64(1990)2304?R/R(％)隨Cr厚度變化的振蕩關(guān)系↑↑↑↑↑↑↑↓↑↓↑↓飽和磁場隨Cr層厚度變化的振蕩關(guān)系↑↓↑↓1990年P(guān)arkinetal多層膜的交換耦合振蕩效應(yīng)和巨磁電阻效應(yīng)1020304051015Crthickness(?)SaturationField(kOe)飽和磁場隨Cr層厚度變化的振蕩關(guān)系磁控濺射法(Fe/Cr)n的R/R0磁電阻隨周期數(shù)n的增加而增大Par12(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RPRPRPRPRAPRAPRAPRAP二流體模型自旋電子極化方向平行磁化強(qiáng)度方向-平均自由程長自旋電子極化方向反平行磁化強(qiáng)度方向-平均自由程短巨磁電阻GMRCuCo(Co/Cu多層膜)磁化強(qiáng)度平行，RP電阻小磁化強(qiáng)度反平行，13GMR自旋閥SV1990年Shinjo兩種不同矯頑力鐵磁層的自旋閥結(jié)構(gòu)1991年Dieny用反鐵磁層釘扎一層鐵磁層的自旋閥結(jié)構(gòu)J.Appl.Phys.69(1991)4774Si/150?NiFe/26?Cu/150?NiFe/150?FeMn/20?AgMR=7%反鐵磁層釘扎鐵磁層自由鐵磁層SiFeNi15nmFeNi15nmCu2.6nmFeMn15nmAg2nmMR=2.2%GMR自旋閥SV1990年Shinjo兩種不14GMR的部分應(yīng)用反鐵磁層鐵磁層1鐵磁層2非磁性層硬盤讀出磁頭GMR隔離器傳感器GMR-typeMRAM(Honeywell公司曾制作出1Mb的MRAM,估計(jì)軍方是唯一用戶)GMR的部分應(yīng)用反鐵磁層鐵磁層1鐵磁層2非磁性層硬盤讀出152004年~170Gbit/in2預(yù)計(jì)不久到1000Gbit/in2,最終可能到50Tbit/in2(100nm65Gbit/in2)2000100硬磁盤讀出頭的發(fā)展TMR磁頭-300Gbit/in2(2006)2004年~170Gbit/in2預(yù)計(jì)不久到1016CompassingGlobalPositionSystemsVehicleDetectionNavigationRotationalDisplacementPositionSensingCurrentSensingCommunicationProducts通信產(chǎn)品TheWorldofMagneticSensors羅盤全球定位車輛檢測導(dǎo)航位置傳感器電流傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)位移CompassingGlobalPositionSyst17三、隧道磁電阻TMR1975年Julliere在Fe/Ge/Co中發(fā)現(xiàn)兩鐵磁層中磁化平行和反平行的電導(dǎo)變化在4.2K為14％。Phys.Lett.54A(1975)2251982年Maekawa等在Ni/NiO/Ni，(Fe、Co)等發(fā)現(xiàn)磁隧道電阻效應(yīng)IEEETrans.Magn.18(1982)707釘扎鐵磁層非磁絕緣層可變鐵磁層電流方向電流方向自旋極化電流磁化強(qiáng)度方向三、隧道磁電阻TMR1975年Julliere18自旋極化度N↑和N↓分別表示在費(fèi)密面自旋向上和向下的電子數(shù)?！?/p>

電阻RP小↑↓

電阻RAP大隧道磁電阻TMR量子隧道效應(yīng)示意圖(Fe/Al2O3/Fe)自旋極化度N↑和N↓分別表示在費(fèi)密面自旋向上和向下的電子數(shù)。191995年Miyazaki在Fe/Al2O3/Fe三明治結(jié)構(gòu)，在室溫下有15.6％的磁隧道電導(dǎo)變化，磁場靈敏度為8％/Oe。Al2O3FeFeAl2O3FeFeJ.Magn.Magn.Mater.139(1995)L231----151(1995)403↑↑↑↑↑↑↑↓↑↓↓↓↓↓↓↑↓↑Fe/Al2O3/Fe電阻隧磁場變化Fe/Al2O3/Fe磁滯回線(一)氧化鋁為絕緣層的磁隧道電阻1995年Miyazaki在Fe/Al2O320自由復(fù)合鐵磁層絕緣層反鐵磁層釘扎鐵磁層隧道結(jié)典型示例自由復(fù)合鐵磁層絕緣層反鐵磁層釘扎鐵磁層隧道結(jié)典型示例21(二)

MgO單晶勢壘的磁隧道效應(yīng)w.wulfhekelApplphyslettvol78509(2001.1)用MBE制備單晶磁隧道結(jié)MgO(001)基片F(xiàn)eMgO(001)Fe(001)Fe(001)MgO(001)-5ML/Fe(001)STM測量隧道效應(yīng)，黑線對應(yīng)灰色區(qū)域，虛線對應(yīng)黑點(diǎn)(較低的隧道勢壘)。鍍上金Au電極層實(shí)驗(yàn)為理論提供條件Fe(100)MgO3.9MLFe(100)MgO2MLFe5MLFe(100)MgO5MLAu2001.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果(二)MgO單晶勢壘的磁隧道效應(yīng)w.wulfhekel222001.9A.Fert小組用氧化鎂做絕緣層，在30K得到TMR60％2001.9A.Fert小組用氧化鎂做絕緣層，在30K得23CoFeB/MgO/CoFeB磁隧道結(jié)的TMRDjayaprawira.etal.Applphys.lett.86.092502(2005)退火溫度TA=3600C(2h，H=8kOe)採用磁控濺射技術(shù)制備MTJ(1mx1m)MgO用射頻rf濺射制備CoFeB/MgO界面清晰、平滑，MgO有很好的(001)纖維晶體織構(gòu)Ru(7)Ta(10)MgO(1.8)Si基片Ta(10)PtMn(15)Co70Fe30(2.5)Ru(0.85)Co60Fe20B20Co60Fe20B202005.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果室溫:MR=230％20K:MR=294％RA=420m2RA=440m22006年12月日本日立公司和東北大學(xué)發(fā)表：TMR472％CoFeB/MgO/CoFeB磁隧道結(jié)的TMRDjayapr24寫入讀出位線字線寫線寫線位線字線WWLRWLGNDBLMTJCMOS磁性隧道結(jié)的應(yīng)用--MRAMMotorolaMTJMRAMstructure寫入讀出位線字線寫線寫線位線字線WWLRWLGNDBLMTJ25MRAM與現(xiàn)行各存儲(chǔ)器的比較（F為特征尺寸）技術(shù)DRAMFLASHSRAMMRAM容量密度256GB256GB180MB/cm2>256GB速度150MHz150MHz913MHz>500MHz單元尺寸25F2/bit2F2/bit

2F2/bit聯(lián)接時(shí)間10ns10ns1.1ns<2ns寫入時(shí)間10ns10s

<10ns擦除時(shí)間<1ns10s

<10ns保持時(shí)間2.4s10years

無窮循環(huán)使用次數(shù)無窮105無窮無窮工作電壓(V)0.5-0.6V

5V

0.6-0.5V

<1V開關(guān)電壓0.2V5V

<50mVMRAMDRAMFLASHMRAM與現(xiàn)行各存儲(chǔ)器的比較（F為特征尺寸）技術(shù)DRAMFL26256KbMRAMchipCourtesyofMotorola

非揮發(fā)性高的集成度高速讀取寫入能力重復(fù)可讀寫次數(shù)近乎無窮大功耗小●●●●●●基于TMR構(gòu)建的磁存儲(chǔ)器(MRAM)具有MRAM具有抗輻照能力（國防、航天至關(guān)重要）●MRAM內(nèi)存儲(chǔ)器：非揮發(fā)性；抗輻照；速度快外存儲(chǔ)器：比Flash存取速度快1000倍;

功耗小；壽命長；密度高可能取代閃存Flash和硬盤256KbMRAMchipCourtesyofMot27四、硬盤存儲(chǔ)器--垂直磁存儲(chǔ)技術(shù)磁頭磁盤(表面的多層磁存儲(chǔ)材料薄膜也稱為磁媒)基片(鋁質(zhì)或鋼化玻璃)硬盤存儲(chǔ)器成機(jī)(驅(qū)動(dòng)器)四、硬盤存儲(chǔ)器--垂直磁存儲(chǔ)技術(shù)磁頭磁盤(表面的多層磁存儲(chǔ)材28IBMRAMAC19552kbits/in250x24”diadisksMicrodrive20041x1”diadiskSize:4×3×0.5cm8Gbyte5MbyteSeagate2004108Gbits/in23x3.5”disks目前總量:750Gbyte密度:150Gbit/in2400GbyteScaling磁盤片發(fā)展過程IBMRAMAC1955Microdrive2004829硬盤磁記錄發(fā)展歷史薄膜磁頭磁電阻磁頭巨磁電阻磁頭磁記錄介質(zhì)的超順磁效應(yīng)100Gb面密度Mbit/in21Gb硬盤磁記錄發(fā)展歷史薄膜磁頭磁電阻磁頭巨磁電阻磁頭磁記錄介質(zhì)的30Deskstar7K1000*1000/750GB–SATA*最大磁錄密度為每平方英寸148GB*最大磁碟數(shù)據(jù)傳輸速率為1,070Mb/s*平均尋道時(shí)間（包括指令執(zhí)行時(shí)間）為8.7毫秒*轉(zhuǎn)速7200RPM，平均延遲時(shí)間為4.17毫秒*高26.1毫米（最大）*重700g（最大）*5/4磁碟，10/8錄寫磁頭–SATA*300G/1ms震動(dòng)（非作業(yè)避震）*9.0（5磁碟）/8.1（4磁碟）瓦特省電空閑–SATA*一般空閑聲量：2.9貝爾*作業(yè)溫度：攝氏5至60度

Deskstar7K1000SATA版本將于2007年第一季度上市，有750GB和1TB兩種容量。1TB容量硬盤的建議零售價(jià)為399美元。日立環(huán)球存儲(chǔ)科技（HitachiGST）公司Deskstar7K1000Deskstar7K31硬磁盤硬磁盤可能的競爭對手(垂直磁記錄)閃存FlashMRAM讀寫速度機(jī)械運(yùn)動(dòng)連續(xù)磁介質(zhì)非連續(xù)磁介質(zhì)圖形磁介質(zhì)熱輔助垂直記錄氧化物存儲(chǔ)相變存儲(chǔ)硬磁盤硬磁盤可能的競爭對手(垂直磁記錄)閃存FlashMR32高存儲(chǔ)密度讀寫速度快無運(yùn)動(dòng)部件完全是微電子工藝閃存Flash價(jià)格偏高讀寫循環(huán)次數(shù)少壽命？浮動(dòng)?xùn)庞昧孔狱c(diǎn)或納米顆粒高存儲(chǔ)密度閃存Flash價(jià)格偏高浮動(dòng)?xùn)庞昧孔狱c(diǎn)或納米顆粒33發(fā)現(xiàn)了電致各向異性電阻、磁電阻效應(yīng)氧化物存儲(chǔ)技術(shù)有可能成為信息存儲(chǔ)器件的新原理SrTiO3La0.67Ca0.33MnO3RI100nmAB處理電脈沖電阻變化“1”“0”+-大電流處理小電流測量首先通入大電流處理樣品，然后撤掉處理電流，通入小電流沿不同方向測量電阻。發(fā)現(xiàn)和處理電流同向時(shí)電阻較小，反之電阻大的多。類似p-n結(jié)的整流行為。表明電致各向異性電阻效應(yīng)。發(fā)現(xiàn)了電致各向異性電阻、磁電阻效應(yīng)氧化物存儲(chǔ)技術(shù)有可能成為信34相變存儲(chǔ)技術(shù)Tx：晶化溫度Tm：熔點(diǎn)Tg：玻璃化溫度相變材料的特性：從熔點(diǎn)冷卻到室溫形成非晶態(tài)；從室溫升到晶化溫度以上，低于熔點(diǎn)，冷卻下來為晶態(tài)。晶態(tài)電阻小(讀為“0”)，非晶態(tài)電阻大(讀為“1”)。電極相變材料絕熱層絕熱層電極大電流擦除；中電流寫入；小電流讀出TgTmTx寫入讀出擦除GeSbTe相變存儲(chǔ)技術(shù)Tx：晶化溫度Tm：熔點(diǎn)Tg：玻璃化溫度相變材料35五、物理所MRAM研究進(jìn)展五、物理所MRAM研究進(jìn)展36IOP/CASMTJ研究進(jìn)展HeadandMRAM對性能的要求室溫●●物理所●IOP/CAS磁性隧道結(jié)研究進(jìn)展IOP/CASMTJ研究進(jìn)展HeadandMRAM374x4MRAMDEMO16x16(6)制備磁隧道結(jié)，完成MRAM的封裝Integrated16x16

MRAMDEMOTa5Ru10Ta5Co40Fe40B203Al1.3-OxideCo40Fe40B20

1Co75Fe252Ru0.8Co75Fe254Ir22Mn7810Ta20完成三十批次共33片磁性隧道結(jié)陣列的制備封裝出150余個(gè)44MRAM演示芯片和150余個(gè)1616MRAM演示芯片4x4MRAMDEMO16x16(6)制備磁隧道結(jié)38新型環(huán)形隧道結(jié)新型環(huán)形隧道結(jié)39為減小驅(qū)動(dòng)電流，包覆軟磁層聚束磁場。MM

2、漏磁大，單元間磁干擾增加，存儲(chǔ)密度減小3、尺寸減小，矯頑力增大，增加反轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)電流2、磁路閉合，