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只是应用于 iPod 的 GMR 效应? --漫谈 2007 诺贝尔物理奖 PowerPoint PPT Presentation


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只是应用于 iPod 的 GMR 效应? --漫谈 2007 诺贝尔物理奖. 中国科学技术大学物理系 朱 弘 2007 年 12 月 1 日. 主要内容. 一 . 2007 年诺贝尔物理奖 二 . 磁电阻效应及其应用 三 . 自旋电子学简介 四 . 小结. 信息存储技术的进步. 80’s 90’s early 21th cen. 密度. 尺寸.

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只是应用于 iPod 的 GMR 效应? --漫谈 2007 诺贝尔物理奖

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Presentation Transcript


Ipod gmr 2007 l.jpg

只是应用于iPod的GMR效应?--漫谈2007诺贝尔物理奖

中国科学技术大学物理系

朱 弘

2007年12月1日


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主要内容

一. 2007年诺贝尔物理奖

二. 磁电阻效应及其应用

三. 自旋电子学简介

四. 小结


Slide3 l.jpg

信息存储技术的进步

80’s 90’s early 21th cen.

密度

尺寸

Published online 9 October 2007 | Nature | doi:10.1038/449643a

The physics prize inside the iPod-Giant magnetoresistance secures Nobel.


The nobel prize in physics 2007 l.jpg

"for the discovery of Giant Magnetoresistance"

The Nobel Prize in Physics 2007


Slide5 l.jpg

Fert的原创工作

  • 极高的磁电阻,4.2 K

    引用次数:1751次


Grunberg l.jpg

  • 层间反铁磁耦合。引用次数:632次。

Grunberg的原创工作

  • 三明治结构,室温,1.5 %。引用次数:551次。


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一. 2007年诺贝尔物理奖

三. 自旋电子学简介

四. 小结

二. 磁电阻效应及其应用


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  • 各向异性磁电阻(AMR)

    铁磁金属中,电阻率与电流、磁化之间的夹角有关。通常

    Ni的合金中AMR较大,室温下约5 %。缘于自旋轨道作用。

M

j

  • 正常磁电阻(OMR, NMR)

    普遍存在的,磁场对载流子的洛仑兹力引起的,电阻增大的效应。通常非常微弱,特别对薄膜可以忽略。

磁电阻效应

Magnetic multilayers and giant magnetoresistance : fundamentals and industrial applications, Springer 2000


Fe co ni l.jpg

Fe,Co,Ni的铁磁性和输运

  • 自发磁化

    d能带的交换劈裂是其主要来源。

R↑

  • 自旋相关散射

    Mott双电流模型

R↓


Fe cr gmr 1 l.jpg

R↑

H=0

R↓

Fe/Cr多层膜的GMR效应(1)

  • 零场、反铁磁耦合下,两极化电流均处于高阻通道。


Fe cr gmr 2 l.jpg

R↓

R↑

Fe/Cr多层膜的GMR效应(2)

  • 加磁场后,两Fe层磁化方向趋于一致,某自旋进入低阻通道。

  • AF耦合的重要性。


Slide12 l.jpg

High field

Low sensitivity

H≠0

层间反铁磁(AF)耦合

http://www.fz-juelich.de/iff/e_news_19-12-2006


Spin valve l.jpg

20 Å Ag

Pinning layer

100 Å FeMn

Pinned layer

150 Å NiFe

26 Å Cu

Free layer

150 Å NiFe

Si substrate

自旋阀(spin valve)-无耦合三明治

  • 较厚的NM层取消AF层间耦合;AF层钉扎作用。1%/Oe

  • Stuart S. P. Parkin对GMR的重要贡献。MBE sputtering

B. Dieny and S. S. P. Parkin, et al, Phys. Rev.B43 (1991) 403.


Tunneling mr l.jpg

隧道磁电阻(Tunneling MR)

  • 中间绝缘层足够薄(<2 nm),电子有机会穿越之。

  • 隧穿几率与初、终态密度有关。能带交换劈裂下,关联于顶、底电极的相对磁化方向。

  • 高磁阻,低磁场。电阻大。

J. S. Moodera and P. LeClair, Nat. Mater.2 (2003) 707.


What s hot in physics l.jpg

November/December 2006

WHAT'S HOT IN PHYSICS

Memorable Attractions of Tunnelling Magnetoresista by Simon Mitton

Dr. Simon Mitton is a Fellow of St. Edmund’s College, Cambridge, U.K.

http://www.sciencewatch.com/nov-dec2006/sw_nov-dec2006_page6.htm


Slide16 l.jpg

如何写入?

  • 目前基本仍采用磁化线圈写入。

  • 还有地方吗?

San Jose Research Center, Hitachi Global Storage Technologies


Slide17 l.jpg

I

M

HDD的关键-读出磁头

AMR读出磁头

  • 随着记录密度增加,每个信号对应的磁性减弱,感应式读出磁头成为进一步提升的瓶颈。

  • IBM从1991年开始研发AMR读出头,94年投放市场。


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更上一层楼-GMR读出头

  • IBM进一步在1998年推出采用自旋阀结构的GMR读出头,轻易突破10 Gbits/in2。

  • 日立宣布将采用CPP-GMR技术在2010年实现1 Tbits/in2。

IBM website.


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终结断电梦魇-MRAM

  • Magnetic random access memory,非易失性(nonvolatile),抗辐射,存取速度快。采用MTJ技术,并具有低功耗特点。

  • 2006年7月Freescale推出第一款商用MRAM (4 Mb, $25)。2007年8月IBM联手TDK共同开发新一代MRAM。

T. M. Maffitt et al, IBM J. Res & Dev50 (2006) 25.


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一. 2007年诺贝尔物理奖

二. 磁电阻效应及其应用

四. 小结

三. 自旋电子学简介


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电子时代-20世纪

  • 1897年J. J. Thomson发现电子。

  • 1900年Drude自由电子经典模型

  • 1928年Sommerfeld自由电子气量子力学模型。

  • 1947年J. Bardeen, W. Brattain and W. Shockley发明晶体管。

  • 1958年J. Kelby, N. Noyce发明集成电路。

  • 1967年、1977年大规模、超大规模集成电路分别诞生。


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  • 电子时代的瓶颈

    尺度限制:原子极限?量子涨落:测不准原理。

    解决途径:利用电子的自旋属性

  • 1921年O. Stern-W. Gerlach实验

  • 1925年S. A. Goudsmit和G. Uhlenbeck提出电子自旋概念。

电子自旋!

两个取向!!

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/spin.html


Spintronics l.jpg

  • 一个新的学科,其目标是利用电子的自旋属性,而不仅是电荷属性,带来电子技术领域的革命。

  • 先决条件

    自旋极化:

    自旋相关散射:

    自旋驰豫:达到微米级。作为对比,动量驰豫是纳米级。

仅仅是开始-Spintronics


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自旋晶体管

  • 77 K,500 Oe下,集电极电流变化215%。

D. J. Monsma, J. C. Lodder, Th. J. A. Popma, and B. Dieny, Phys. Rev. Lett. 74 (1995) 5260.


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程控逻辑元件

A. Ney, C. Pampuch, R. Koch and K. H. Ploog, Nature425 (2003) 485.


Spin torque l.jpg

  • 自旋极化电流控制磁化状态

Spin torque

J. Slonczewski, J. Magn. Magn. Mater. 159 (1996) L1.


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半导体自旋电子材料

  • 自旋与半导体结合:完备的工艺手段;极长的平均自由程。 困难:极化电流注入效率非常低。

  • 稀磁半导体(DMS):3d磁性元素掺杂造成铁磁性。

    氧化物:Co、Mn等掺入TiO2、ZnO等;

    Ⅱ-Ⅵ族:Zn1-xCrxTe薄膜的居里温度可达室温以上;

    Ⅲ-Ⅴ族:(GaMn)As、 (InMn)As,TC<160 K;

    Ⅲ-族氮、磷化物:(GaMn)N的距离温度远高于室温;

    Ⅳ-族:Ge、Si是最重要的半导体材料,但3d族在其中的固溶度非常低。目前报道不多。


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目标:单电子自旋器件

  • 三个层次:金属的,半导体的,单电子的。

  • 最可望实现量子位(qubit)的手段。

  • 单自旋探测:《自然》 2004年度十大科学进展之三。

After P. C. Hammel, Nature 430 (2004) 300

D. Rugar, R. Budakian, H. J. Mamin and B. W. Chui, Nature430 (2004) 329.


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小结

  • A. Fert & P. Grunberg发现的GMR效应奠定了自旋电子学的基石,并由此获得了纳米技术的首个成果。

  • GMR效应第一次实现了电子输运的自旋相关散射,其读出磁头目前已广泛应用于高密度硬盘,并向高速低耗非易失内存发展。

  • 21世纪将会是自旋时代,自旋电子学相关物理、材料和器件的研发是当前科技发展的热点领域。

谢谢各位!


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