1 / 30

Ch 2 ， 巨磁电阻（ GMR ）效应

Ch 2 ， 巨磁电阻（ GMR ）效应. 本节内容 1 ，振荡的层间耦合（ 1986 ） 2 ，金属量子阱中的自旋极化 3 ， GMR 效应（ 1988 ） 重点： Mott 的两流体模型. 1 ，层间耦合. 问题的提出？ 相邻 FM 层间的耦合作用与中间 NM 分隔层的厚度有关？ 多层膜中的电子的本征状态？. Grunberg (1986 ） 布里渊散射 Fe/Cr/Fe. FM 层间的振荡耦合 ―― 普适现象. Parkin 的贡献 （ 1990 ） Co/Ru ， 振荡周期 约 12 埃.

vidal
Download Presentation

Ch 2 ， 巨磁电阻（ GMR ）效应

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Ch 2， 巨磁电阻（GMR）效应 本节内容 1，振荡的层间耦合（1986） 2，金属量子阱中的自旋极化 3，GMR效应（1988） 重点：Mott的两流体模型

  2. 1，层间耦合 问题的提出？ 相邻FM层间的耦合作用与中间NM分隔层的厚度有关？ 多层膜中的电子的本征状态？

  3. Grunberg (1986）布里渊散射Fe/Cr/Fe

  4. FM层间的振荡耦合――普适现象 Parkin 的贡献 （1990） Co/Ru， 振荡周期 约12埃

  5. FM层间的振荡耦合――直接观察（SEMPA） Unguiris等 (1991) Fe 单晶/ Cr 尖劈/ Fe薄膜

  6. FM层间的振荡耦合――VSM 阎明朗等 1994， NiFe/Mo/NiFe

  7. 2，多层膜中，电子的状态 真空中的金属薄膜 行波――平行方向 电子连续谱E（k// ）=k// 2 驻波――垂直方向 电子分立谱E (k⊥) 波函数是由包络函数调制的快振荡的 Bloch函数 Bloch函数 的波长 ＝ 2a （a 晶格常数） 包络函数波长由薄膜厚度决定。 （厚度是半波长整数倍）

  8. 薄膜上的量子阱态

  9. 铁磁金属薄膜（自旋极化的）量子阱s－d散射机制铁磁金属薄膜（自旋极化的）量子阱s－d散射机制

  10. 薄膜Cu（100）在fcc Co（100）基底上 自旋极化的 光发射谱 （下左图） 能带结构图 （下右图）

  11. 层间耦合的理论 • 计算不同的NM厚度、不同的自旋状态的总能量。 • 比较哪个磁状态有利？ • 总能量→库仑作用→DOS→波函数→非磁层厚度、铁磁层自旋状态。 • 注意：长程静磁（偶极）耦合！

  12. 交换作用 （1）氢分子 三重态或单态←交换作用符号 ←电子云（波函数）的重叠情况←电子波函数性质 （2）RKKY作用 铁磁或反铁磁态←交换作用的振荡 ←f 电子自旋之间，通过s 电子间接交换作用 ← f 电子局域波函数＋ s 电子平面波波函数 振荡周期决定于 s电子Fermi波长

  13. 铁磁金属量子阱 FM/NM/FM中，铁磁层间的振荡耦合 铁磁FM层之间的耦合能量，随非磁层厚度增加而振荡 振荡周期（波矢）为 （与自由电子气比较） 各种3d、4d金属的结果相近？ 11—12A

  14. 反铁磁金属量子阱AFM/NM /AFM 蔡健旺等NiFe/ FeMn/ Cu / FeMn 困难： 反铁磁体的 “磁化特性” 方法： 交换偏置表征 振荡周期： 加倍（21A)

  15. 第二次（11月10日） 上一次 的 内容 （1）FM/NM多层膜中， 相邻FM层之间的耦合 随NM层厚度变化→振荡衰减 （2）单层厚度为若干纳米 （3）NM层中电子处于“磁性量子阱”

  16. 关于上述（2），多层膜中单层膜厚度 t 的限制金属：t（≈2nm）《 λ(≈20nm)《 Ls (≈200nm） a，增大分子。需远小于自旋弛豫长度。两流体近似。 b，减小分母。需远小于平均自由程。弹性散射。 *平均自由程λ（10－30纳米） 自旋弛豫长度Ls（100－500纳米）

  17. 巨磁电阻（GMR）效应 Fert （1988） Fe/Cr 超晶格！ Grunberg （1986） 相邻磁矩反铁磁排列 MBE优质材料 反平行---高电阻态 平行---低电阻态

  18. Mott两流体模型(1) N.H.Mott,Proc.Roy.Soc. A153,699(1936) 近似：电子与（热激发）自旋波散射可以忽略， （无自旋翻转） 只考虑电子与磁性离子自旋间的散射。 （s－d散射） 约定：与磁矩同方向的电子处于主要子带（majority） 相反方向自旋电子处于次要子带（minority）

  19. 两流体模型（2） 散射过程中没有自旋反转－－理想的假设 S↓ 电子 被d ↓(minority )电子散射，对电导贡献小 ( d ↓有效质量太大) S↑电子未被d ↑（ majority）电子散射，对电导贡献大 （d ↑在Fermi面没有状态) 结果： 电导的自旋相关因子

  20. Mott模型和GMR效应（2） 按Mott模型（看上图） 1，电子自旋与所在层磁矩 相同时， s电子与（Majority）d 电子散射弱， 电子自旋与所在层磁矩 相反时， s电子与（Minority）d 电子散射强。

  21. GMR效应的物理机制：电子平均自由程与自旋相关 λ↑ ≠ λ↓。 RAP RP r+ (R+ + R-) / 2 结构保证条件 平均自由程λ>> 单层膜厚t (R+ + R-)/2 R- 并联电路中，小电阻是关键－－－短路效应

  22. Mott模型和GMR效应（3） 2，如果，平均自由程 （单层厚度） 磁电阻比率 其中，

  23. 插入纳米氧化层(NOL)--- 镜面 GMR 自旋阀（spin-valve）

  24. “镜面反射层” 使自旋阀更像多层膜 λ↑――因为界面的近弹性散射（R→ 1），而大大增加。 λ↓――总是被自旋散射衰减。与界面状况无关。 NOL 得到强条件：自旋向上电子平均自由程 λ↑>> λ↓

  25. MR比率大幅度提高，交换偏置场不变( 卢正启等2002 ) Structure：Ta 3.5nm/NiFe 2/IrMn 6/ CoFe 1.5 / Nol1 / CoFe 2/Cu 2.2/ CoFe 1.0 ~4.0 / Nol2/Ta 3 Low Field High Field 普通自旋阀 MR ~8 % Hf ~ 20Oe Hex ~350Oe Hc1 ~3Oe 镜面 自旋阀 MR ~ 15% Hf ~5Oe Hex ~ 400Oe Hc1 ~4Oe

  26. Pinned Layer CoFe Free Layer—CoFe Spacer—Cu NOL Slice Pinning Layer—IrMn FM Bridge Model: Tiles on the floor 模型 NOL 由不连续is composed of discrete NOL slices and “bridge” between FM and AFM layers ( as following Figure) -----Length of slice > MFP 实验Method: Closs section HRTEM (With Shen.F; Zhang.Z; Wang. Y.G; Cai.J.W; Lu.Z.Q)

  27. 证据之二Potential barrier at the nano-oxide Layerby using electron holography technology

  28. 结束

  29. 问题（1）多层膜的磁滞回线？ 答：a，M―H关系： H之下，体系的磁化状态 由总自由能量极小条件确定 c，FM排列时， 外场能＋磁晶各向异性能（几个奥） d，反铁磁排列时， 外场能＋磁晶各向异性能（几个奥） ＋层间反铁磁耦合能（几百奥）

More Related