旋轉(zhuǎn)電子的發(fā)展與應(yīng)用

旋轉(zhuǎn)電子的發(fā)展與應(yīng)用

1鐵磁材料的制備人們認(rèn)識到電子有兩種屬性：電、電和旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電子通過磁體運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁體會形成電流，當(dāng)主體通過磁體運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁體會產(chǎn)生電流。相反，磁體的通信電路將產(chǎn)生垂直磁體運(yùn)動(dòng)，并發(fā)明了機(jī)器和機(jī)器，以實(shí)現(xiàn)世界文明。在半音樂帶中，由于電子在導(dǎo)率上的傳輸特性和導(dǎo)致電子層的傳輸特性而失去電子束的特性，因此被稱為pn結(jié)。1947年，電子半音樂帶的開發(fā)和科學(xué)數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展打開了大門，奠定了現(xiàn)代信息社會的基礎(chǔ)?；陔娮拥膶傩?，電子在完整晶體的周期性運(yùn)動(dòng)中的運(yùn)動(dòng)沒有受到影響，因此被稱為透明。然而，由于多種因素，晶體振動(dòng)和晶體散射形成多個(gè)缺陷，這會導(dǎo)致電子散射的影響。電子的平均距離為10ml。在原始的子結(jié)構(gòu)中，我們知道電子的自相結(jié)構(gòu)。在一個(gè)有四個(gè)電子的轉(zhuǎn)換率的地方，只能使用兩個(gè)電子同時(shí)旋轉(zhuǎn)。電子電子運(yùn)動(dòng)中是否有自發(fā)極化的電子電流？如何產(chǎn)生自相化電子流？什么樣的電子磁體運(yùn)動(dòng)需要多長時(shí)間的長路？如何檢測自相化電子哪些方面的影響？1973年，tinyou等人使用超導(dǎo)（al）/絕緣層（al2o3）/鐵磁合（ni）的隧道結(jié)來測量橫斷面的電流，并將自相化電子流轉(zhuǎn)化為鐵磁性。通過實(shí)驗(yàn)測量不同的鐵磁性材料產(chǎn)生自相化電流，并利用自相化程度p來表征自相化度p的自動(dòng)化程度。請?jiān)O(shè)置salinms。p=N↑(EF)?N↓(EF)N↑(EF)+N↓(EF)(%)?p=Ν↑(EF)-Ν↓(EF)Ν↑(EF)+Ν↓(EF)(%)?式中N↑(EF)和N↓(EF)分別表示在費(fèi)米面附近自旋向上和自旋向下的電子數(shù).1973年,Tedrow用隧道譜法測量了Fe,Co,Ni和Gd的自旋極化率.1999年,Jagadeesh等分析多家實(shí)驗(yàn)結(jié)果,給出較為合理精確的實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果:Fe44%,Co45%,Ni33%,FeNi48%,FeCo51%.對于半金屬材料(如CrO2),由于在費(fèi)米面處自旋向下能帶是空的,P=100%.下一個(gè)問題是,電流通過多厚的鐵磁層才能達(dá)到最大的自旋極化度1983年,Meservey發(fā)現(xiàn)Fe薄膜在1nm厚度時(shí)自旋極化逐漸達(dá)到飽和.2003年,Zhu等對CoFe薄膜測量,發(fā)現(xiàn)它在2.3nm厚度時(shí)達(dá)到飽和.1986年,Grunberg等人發(fā)現(xiàn),在Fe/Cr/Fe三明治結(jié)構(gòu)中,適當(dāng)?shù)摹癈r”層厚度,可使兩鐵層之間形成反鐵磁耦合.1988年,Baibich發(fā)現(xiàn)鐵鉻多層膜中,當(dāng)鉻的厚度使鐵層之間形成反平行耦合時(shí),沒有外加磁場的電阻比外加磁場使多層膜飽和時(shí)大得多,稱為巨磁電阻(GMR)效應(yīng).1990年,Parkin等用磁控濺射制備了一序列多層膜,系統(tǒng)地研究了它們交換耦合振蕩效應(yīng)和巨磁電阻效應(yīng).1990年,Shinjo用兩種不同矯頑力的鐵磁層構(gòu)成自旋閥.1991年,Dieny用反鐵磁層釘扎鐵磁層構(gòu)成自旋閥.自旋閥結(jié)構(gòu)為GMR效應(yīng)提供實(shí)際應(yīng)用的可能,例如硬磁盤的讀出頭和磁傳感器.自旋閥的結(jié)構(gòu)給我們提供測量自旋擴(kuò)散長度的方法.1993年,Bruce等測量了Fe,Co和FeNi合金的自旋擴(kuò)散長度.在室溫下:Co[5.5nm(↑),0.6nm(↓)];Fe[1.5nm(↑),2.1nm(↓);FeNi[4.6nm(↑),0.6nm(↓)],對于非磁性金屬Au,Ag,Cu,Al自旋擴(kuò)散長度在1—10μm(括號中的箭頭表示自旋向上或向下).1975年,Julliere等發(fā)現(xiàn)用鐵磁金屬替代超導(dǎo)金屬,構(gòu)成鐵磁(Fe)/絕緣層(Ge)/鐵磁(Fe)的磁隧道結(jié)(MTJ),在低溫4.2K時(shí),磁隧道電阻為14%.但可惜是在低溫下實(shí)現(xiàn)的.1995年,Miyazaki等發(fā)現(xiàn)Fe/Al2O3/Fe隧道結(jié)在室溫下隧道磁電阻TMR高達(dá)18%,引起人們極大的興趣.由此可見,自旋電流的注入、輸運(yùn)、操縱和檢測都是在納米尺度下進(jìn)行的,成為納米科技的重要內(nèi)容,并成為新的研究領(lǐng)域.早期(大約在1995年),稱該研究領(lǐng)域?yàn)榇烹娮訉W(xué)(Magneto-electronics),它主要包括巨磁電阻效應(yīng)和磁隧道效應(yīng).1996年,Ohno等在GaAs半導(dǎo)體中摻雜了3.5%的Mn,得到稀磁半導(dǎo)體,居里溫度超過60K.Awschalom等證明,在n型GaAs中,能夠傳輸自旋信息和操縱自旋.人們很自然想到能否實(shí)現(xiàn)自旋半導(dǎo)體器件.1996年,日本最先實(shí)施“自旋可控的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)”的研究計(jì)劃.緊跟著美國、歐洲等都開始實(shí)施類似的研究計(jì)劃.2000年6月,在德國召開了自旋電子學(xué)討論會(SymposiumonSpin-electronics),2001年8月,在比利時(shí)召開了自旋電子學(xué)討論會(英文名稱用SpintronicsinBelgium).此時(shí),人們就發(fā)現(xiàn)用磁電子學(xué)定義狹隘了,而采用了更廣泛的名詞:Spin-electronics或Spintronics(1999年Awschalom等的文章中已出現(xiàn)“Spintronics”一詞).在我國稱為自旋電子學(xué),它包括磁電子學(xué)和半導(dǎo)體自旋電子學(xué).《世界2006年鑒》期刊在“科學(xué)”欄目中的《自旋醫(yī)生》一文中有一段評述:如果磁電阻隨機(jī)存儲器(MRAM)實(shí)現(xiàn)了人們對它的期望,它將最終橫掃所有其他類型的存儲蕊片,甚至?xí)陀脖P展開激烈的競爭.但是自旋電子器件的支持者希望MRAM只是一個(gè)開始.他們想用自旋電子器件替代更多電荷電子器件.2000年,Black等提出用一個(gè)比較簡單的線路把GMR或TMR器件連結(jié)起來,構(gòu)成可編程序的邏輯操作.2003年,Ney等對單一磁電阻元件的結(jié)構(gòu)做新的構(gòu)思,實(shí)現(xiàn)單一器件具有可編程序的邏輯元件,也就是說,通過軟件可以使一個(gè)磁性邏輯元件從“與”門變成“與非”門,“或”門變成“或非”門,以及把“與”門變成“或”門.我國《科學(xué)》刊物在2005年第10期發(fā)表的《硬件變色》一文中,通俗介紹了利用GMR和TMR制作磁邏輯門,以及用磁邏輯門陣列構(gòu)成的磁處理器,而且每個(gè)邏輯門都可以通過軟件單獨(dú)配制,形成可隨時(shí)變化像變色龍般的磁處理器.最近國際上又開展了利用GMR,TMR和半導(dǎo)體的組合構(gòu)建自旋晶體管的研究工作.自旋電子學(xué)的發(fā)展歷程可歸納為三步:巨磁電阻→隧道磁電阻→半導(dǎo)體自旋電子.本文將扼要介紹這三種現(xiàn)象的物理概念、應(yīng)用前景及最新進(jìn)展.2巨磁電阻gmrGMR現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)首先應(yīng)歸功于Grunberg等人在1986年的發(fā)現(xiàn):在“Fe/Cr/Fe”三明治結(jié)構(gòu)中,Fe層之間可以通過Cr層進(jìn)行交換作用,當(dāng)Cr層在合適的厚度(如9?)時(shí),兩鐵層之間存在反鐵磁耦合.如圖1所示,當(dāng)Cr層厚度使鐵磁層間為反鐵磁耦合時(shí),多層膜磁化強(qiáng)度飽和所需要的飽和磁場大,鐵磁耦合時(shí)需要的飽和磁場小,呈現(xiàn)出隨Cr層厚度變化鐵層之間呈鐵磁和反鐵磁耦合的振蕩現(xiàn)象.1991年,Unguris等做了一個(gè)很漂亮的實(shí)驗(yàn),在三明治結(jié)構(gòu)中,把非磁性金屬層做成楔形,然后觀察磁疇,可以明顯看到黑白相間的磁疇,黑和白分別表示兩個(gè)區(qū)域中磁化強(qiáng)度方向相反,意味著與底層磁化強(qiáng)度分別成鐵磁和反鐵磁耦合(圖2).第二個(gè)貢獻(xiàn)應(yīng)歸功于Baibich等人在1988年的發(fā)現(xiàn):在Fe/Cr/Fe三明治結(jié)構(gòu)的多層膜中,當(dāng)Cr層為9?時(shí),鐵層之間呈反鐵磁耦合,在4.2K溫度下,20kOe的外磁場可以使相鄰鐵層之間由反鐵磁耦合變成鐵磁耦合,此時(shí)平行于電流方向的膜面的電阻率下降至不加外磁場時(shí)的一半,即MR%=[R(0)-R(H)]/R(H)%=100%,用磁化強(qiáng)度平行的電阻RP和反平行電阻RAP表示為MR%=(RAP-RP)/Rp=100%.多層膜MR值隨(Fe/Cr)n周期n的增加而增大,隨Cr厚度變化呈振蕩變化.從1988年開始,國際上掀起對多層膜巨磁電阻現(xiàn)象的研究熱潮,例如選擇了各種鐵磁層、非磁性層材料的組合對多層膜巨磁電阻和磁化強(qiáng)度反轉(zhuǎn)磁場的影響,磁場靈敏度[MR%/Oe],以及巨磁電阻的物理起源等.1991年,Parkin等用磁控濺射制備多層膜,并得到磁電阻隨非鐵磁層厚度變化的振蕩效應(yīng),得到(Co/Cu)多層膜在室溫下MR值達(dá)到65%,而(CoFe/Cu)多層膜的MR值更優(yōu)于(Co/Cu)多層膜.如何使巨磁電阻效應(yīng)獲得應(yīng)用是人們最關(guān)心的問題.1990年,Shinjo用兩種不同矯頑力鐵磁層構(gòu)成三明治結(jié)構(gòu)的自旋閥.1991年,Dieny用反鐵磁層釘扎下面一層鐵磁層,上面一層鐵磁層為自由層,構(gòu)成具有反鐵磁層的自旋閥,如圖4所示.FeMn,IrMn,NiMn,PtMn等分別為反鐵磁層所選材料,從此,材料的反鐵磁性研究開始從學(xué)術(shù)研究范疇進(jìn)入到技術(shù)應(yīng)用研究范疇.自旋閥的產(chǎn)生為巨磁電阻的應(yīng)用打開方便之門.1994年,IBM公司宣布利用GMR自旋閥研制成硬磁盤讀出磁頭的原型,將磁盤系統(tǒng)的記錄密度提高17倍,達(dá)到10Gbit/in2,超越現(xiàn)有光盤的記錄密度,是計(jì)算機(jī)電子工業(yè)的重大突破.基于GMR自旋閥結(jié)構(gòu)做成的磁傳感器比常規(guī)的磁傳感器輸出信號大、信噪比大、體積小、靈敏度高、可靠性高、耐惡劣環(huán)境能力強(qiáng),因此在測速、位移、旋轉(zhuǎn)編碼器和電流傳感器等方面得到廣泛應(yīng)用.但是三明治自旋閥的MR值比較低(不超過10%).為了提高自旋閥的MR值,1991年,Pratt和Gijs提出利用電流垂直多層膜面的方式(CPP)可比電流平行膜面方式(CIP)的MR值大4倍(圖3).Egelhoff等在1999年用氧化鎳加在自旋閥兩鐵磁層外,形成鏡面散射可提高自旋閥的GMR.Koui等和Huai等于2001年提出,在兩個(gè)鐵磁層外面插入納米氧化層可把自旋閥的MR值提高到10%—20%(圖4).基本原理是納米氧化層形成鏡面,反射自旋電子而不改變自旋電子的極化方向,從而增加在三明治結(jié)構(gòu)中電子自旋擴(kuò)散長度,增加自旋閥的電導(dǎo)率.GMR效應(yīng)最重要的應(yīng)用是做硬磁盤的讀出磁頭,圖5表示硬磁盤磁頭的發(fā)展趨勢.從1994年IBM公司做出GMR原型磁頭到2004年十年間,已發(fā)展到170Gbit/in2的記錄密度.磁頭讀出縫隙已達(dá)到50nm.現(xiàn)在全世界硬磁盤高密度磁頭市場幾乎全部是GMR磁頭.用MTJ做硬盤讀出磁頭,預(yù)計(jì)不久記錄密度可達(dá)到1000Gbit/in2,最終可能達(dá)到50Tbit/in2.早先人們利用GMR效應(yīng)研制磁動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲器(MRAM),在0.9cm2面積上實(shí)現(xiàn)16Megabyte高性能的MRAM.后來由于用隧道磁電阻效應(yīng)TMR做MRAM比用GMR效應(yīng)有更大的優(yōu)勢,近來這方面的研究就很少了.圖6表示目前能做出直徑為60nm、高為130nm的GMR納米柱器件,顯然GMR效應(yīng)在納米傳感器方面有很大的發(fā)展前景,尤其在MEMS和機(jī)器人研究領(lǐng)域中的應(yīng)用.Katine等采用電流驅(qū)動(dòng)Co/Cu/Co納米柱的磁矩反轉(zhuǎn),并提出自旋轉(zhuǎn)矩(spin-transfertorque)的新概念,引起學(xué)者們的廣泛興趣,同時(shí)有可能促成新的信息存儲技術(shù)的出現(xiàn).3磁隧道結(jié)效應(yīng)的測量什么是隧道效應(yīng)?量子力學(xué)的隧道效應(yīng)就是指粒子穿過勢壘并出現(xiàn)在經(jīng)典力學(xué)禁阻的區(qū)域的過程.現(xiàn)在考慮一個(gè)電子通過由金屬層/絕緣層/金屬層構(gòu)成的三明治薄膜的情況,絕緣層形成一個(gè)勢壘很高的勢阱.按經(jīng)典力學(xué)概念,電子是不可能通過絕緣層.我們知道電子具有“波”“粒”兩重性,電子的運(yùn)動(dòng)可以用波函數(shù)表征.量子力學(xué)對這種情況分析表明,電子能以一定的幾率通過隧道效應(yīng)而穿過勢壘,逃出勢阱.穿過勢壘的幾率是由波函數(shù)在勢阱的兩壁上必需連續(xù)這個(gè)條件決定的.當(dāng)電子通過第一個(gè)金屬/絕緣體的界面時(shí),在絕緣體內(nèi)波函數(shù)較快地衰減,如果絕緣層足夠薄,也就是勢壘薄,電子通過絕緣層到達(dá)第二個(gè)絕緣體/金屬界面時(shí),波函數(shù)沒有衰減到零,那么在第二個(gè)金屬薄膜中,發(fā)現(xiàn)電子的幾率不是零,也就是說,電子穿越了勢壘(圖7(a)).通俗比喻,當(dāng)把電子看成是一個(gè)粒子球,它不可能通過墻壁,要想通過就得把墻壁打個(gè)洞.如果把電子看成是電子波,它就能像聲音(聲波)一樣穿過墻壁,在墻壁后面聽到聲音.如果墻壁太厚,聲音(聲波)也穿不過去.1970年,Meservey和Tedrow測量超導(dǎo)Al-Al2O3-Ag在磁場下的隧道譜,得到磁矩貢獻(xiàn)的能級劈裂為2μH.1973年他們進(jìn)一步研究了“超導(dǎo)體/非磁絕緣層/鐵磁金屬”隧道結(jié),并測量了Fe,Co,Ni的自旋極化率,該方法成為測量鐵磁金屬自旋極化率的經(jīng)典方法.1975年,Slonczewski提出將隧道結(jié)中的超導(dǎo)體用另一鐵磁層取代的設(shè)想,認(rèn)為隧道電導(dǎo)必然與兩鐵磁電極的磁化方向相關(guān),并把此現(xiàn)象命名為磁隧道結(jié)效應(yīng)(圖7(b)).同年,Julliere等確實(shí)發(fā)現(xiàn)Fe/Ge/Co隧道結(jié)的隧道電導(dǎo)與兩鐵磁層磁化矢量的相對方向有關(guān),變化的大小△G/GA在4.2K時(shí)約為14%,△G為相應(yīng)兩鐵磁層磁化矢量平行和反平行時(shí)電導(dǎo)之差,GA為反平行時(shí)的電導(dǎo).1982年,Maekawa等研究了一系列以NiO為絕緣層的FM/I/FM的隧道結(jié),發(fā)現(xiàn)在低溫下有隧道效應(yīng),但磁電阻值都很小,最大只有2.4%.1987年,Suezawa等用Al2O3做絕緣層,可喜的是在室溫下獲得磁隧道電阻,但也很小.1991年,Miyazaki等在300K獲得最大磁電阻僅為2.6%.1995年,Miyazaki等獲得突破性進(jìn)展,在Fe/Al2O3/Fe隧道結(jié)中,室溫下獲得磁電阻MR=18%,磁場靈敏度8%/Oe,從此揭開了隧道磁電阻新的激動(dòng)人心的一頁,人們開始集中研究用Al2O3做絕緣層的隧道結(jié).2000年,Han等在室溫下獲得磁電阻達(dá)50%.為了能夠操縱極化的自旋電子,同樣地用反鐵磁薄膜釘扎底層鐵磁薄膜的磁化方向,構(gòu)成磁隧道結(jié)的自旋閥結(jié)構(gòu),利用這樣的結(jié)構(gòu)就可以研制動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲器,稱為磁動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲器MRAM(圖7(c)).基于MTJ構(gòu)建的磁動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲器MRAM具有非常優(yōu)異的特性:非易失性、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、低功耗和抗輻照能力.它既可以做計(jì)算機(jī)的內(nèi)存儲器,也可以做外存儲器.作為內(nèi)存儲器,它與市場上通用的DRAM相比的優(yōu)點(diǎn)是非易失性、抗輻照和存取速度快.作為外存儲器,它比Flash存取速度快1000倍、功耗小和壽命長.與硬磁盤競爭優(yōu)勢在于它無運(yùn)動(dòng)部件,與Flash存儲器使用一樣方便.由于MRAM的實(shí)現(xiàn)將極大促進(jìn)計(jì)算機(jī)的發(fā)展,國際上各大計(jì)算機(jī)公司都投入巨資研制MRAM.圖8(a)給出各大公司的研究進(jìn)展.IBM公司目前做得最好,達(dá)到16Mbit.美國和日本的公司都瞄準(zhǔn)256Mbit的目標(biāo).用氧化鎂做絕緣層開辟了研究MTJ的新方向.Yuasa等在2000年研究單晶氧化鎂基片上生長Fe/Al2O3/NiFe磁隧道結(jié),發(fā)現(xiàn)鐵電極也是單晶膜,而磁電阻具有各向異性特征,不同晶體方向的磁電阻值不一樣.2001,年Wulfhekel等用MBE制備了以氧化鎂為基片的Fe(001)/MgO(001)/Fe磁隧道結(jié),用STM測量隧道效應(yīng).同時(shí)Butler等用第一性原理計(jì)算了隧道電導(dǎo)和磁隧道電導(dǎo),理論上預(yù)言TMR值可達(dá)到1000%.2004年,Yuasa等制備的Fe/MgO/Fe磁隧道結(jié)的MR在室溫下達(dá)到88%,最大輸出電壓為380mV,超高氧化鋁為絕緣層的磁隧道結(jié).2004年10月,他們又把MR值提高到180%.同月Parkin等報(bào)道了在CoFe/MgO/CoFe磁隧道結(jié)中獲得MR為220%、溫度隱定性超過400°C的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.2005年2月,Diayaprawira等發(fā)表了他們的最新結(jié)果:在CoFeB/MgO/CoFeB磁隧道結(jié)中,MR值為230%,結(jié)面電阻RA為420Ωμm2.我們可以看到其進(jìn)展不是以年計(jì),而是以月計(jì).Coey于2005年綜合國際上研究結(jié)果,給出氧化鋁和氧化鎂作為絕緣層磁隧道結(jié)的進(jìn)展,如圖8(b)所示.氧化鎂磁隧道結(jié)的優(yōu)點(diǎn)是:高自旋極化率,MR值在室溫下達(dá)到230%;結(jié)電阻較小,RA接近300Ωμm2;熱穩(wěn)定性高,可超過400°C.氧化鎂磁隧道結(jié)的出現(xiàn)將大大加快MRAM的研究進(jìn)度和進(jìn)入市場的時(shí)間.繼續(xù)尋找新的絕緣層材料,研究電流驅(qū)動(dòng)自由鐵磁層磁矩的反轉(zhuǎn)和研究磁性處理器是今后磁隧道效應(yīng)研究的重要方向.4gaas半導(dǎo)體電子同時(shí)具有電荷和自旋兩種屬性,電子的電荷屬性在半導(dǎo)體材料中獲得極大的應(yīng)用,推動(dòng)了電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展.能否使電子的自旋特性在半導(dǎo)體中獲得應(yīng)用?能否在半導(dǎo)體器件中實(shí)現(xiàn)自旋極化、注入、傳送、操作和檢測?成為人們最關(guān)注的問題.最初人們企圖用鐵磁金屬與半導(dǎo)體材料直接歐姆接觸,把極化自旋流注入到半導(dǎo)體材料中去,但是由于肖特基勢壘太高,注入效率極低.為了克服肖特基勢壘,只有兩個(gè)辦法:尋找磁性半導(dǎo)體材料或利用隧道效應(yīng).早在1989年,Ohno等就開始研究了稀磁半導(dǎo)體.他們在InAs中摻雜少量的Mn,獲得能隙變窄的n型稀磁半導(dǎo)體.1992年,他們又獲得p型(In,Mn)As稀磁半導(dǎo)體.1996年,他們首先在GaAs半導(dǎo)體中摻雜了3.5%的Mn,獲得居里溫度為60K的稀磁半導(dǎo)體.1998年,Matsukura等通過實(shí)驗(yàn)得到了5%Mn的(Ga,Mn)As半導(dǎo)體,居里溫度超過100K.2000年,Chiba等利用Mn5.5%的GaAs稀磁半導(dǎo)體和(Al,Ga)AS作絕緣層的三明治結(jié)構(gòu)的隧道結(jié),獲得磁電阻TMR在20K溫度下為5