巨磁电阻GMR是自旋电子学产生的基石ppt课件.ppt
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1、为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益巨磁电阻和自旋电子学巨磁电阻和自旋电子学詹文山中国科学院物理研究所磁学国家重点实验室2007.12.2007年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益Peter Grnberg-Peter Grnberg-克鲁伯格克鲁伯格1939年5月18日出生。从1959年到1963年,克鲁伯格在法兰克福约翰-沃尔夫冈-歌德大学学习物理,1962年获得中级文凭,1969年在德国达姆施塔特技
2、术大学获得博士学位。1988年,他在尤利西研究中心研究并发现巨磁电阻效应;1992年被任命为科隆大学兼任教授;2004年在研究中心工作32年后退休,但仍在继续工作。他1994年获美国物理学会颁发的新材料国际奖(Fert、Parkin共同获得);1998年获由德国总统颁发的德国未来奖;2007年获沃尔夫基金奖物理奖(与Fert共同获得)。Albert Fert-费尔费尔1938年3月7日出。1962年在巴黎高等师范学院获数学和物理硕士学位。1970年从巴黎第十一大学获物理学博士学位,前在该校任物理学教授。他从1970年到1995年一直在巴黎第十一大学固体物理实验室工作。后任研究小组组长。1988
3、年,他发现巨磁电阻效应,随后对自旋电子学作出过许多杰出贡献。1994年获美国物理学会颁发的新材料国际奖,1995年至今则担任国家科学研究中心-Thales集团联合物理小组科学主管,1997年获欧洲物理协会颁发的欧洲物理学大奖,以及2003年获法国国家科学研究中心金奖。为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益一、序言一、序言二、巨磁电阻二、巨磁电阻GMR三、隧道磁电阻三、隧道磁电阻TMR五五、物理所、物理所MRAMMRAM研究进展研究进展四四、硬盘存储器、硬盘存储器-垂直磁存储技术垂直磁存储技术为了规范事业单位聘用关系,
4、建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益自旋自旋一、序言一、序言电子电荷自旋在半导体材料中有电子和空穴两种载流子极化电子有自旋向上和向下的两种载流子电子M为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益低温下电子弹性散射的平均时间间隔10-13 秒,平均自由程10nm。非弹性散射的平均时间间隔10-11 秒,相位干涉长度1m。极化电子自旋保持原有极化方向 的平均间隔时间10-9 秒,自旋扩散长度100m。室温下室温下自旋扩散长度自旋扩散长度钴 铁 FeNi 金银铜铝自旋向上 5
5、.5nm 1.5nm 4.6nm 自旋向下 0.6nm 2.1nm 0.6nm 1-10m 电子的自旋通常只有在磁性原子附近通过交换作用或者通过自旋-轨道耦合与杂质原子或者缺陷发生相互作用被退极化。A.电子的输运性质电子的输运性质自旋极化电子的特性自旋极化电子的特性l lsd为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益B.电子自旋极化度电子自旋极化度 当电子通过铁磁金属时,电子由简并态,变成向上(+1/2)和向下(-1/2)的非简并态,极化度表示为自旋极化度实验结果:材料 Ni Co Fe Ni80Fe20 Co50Fe5
6、0 Co84Fe16 自旋极化度()33 45 44 48 51 49N和N分别表示在费密面自旋向上和向下的电子数。在费密面自旋向上和向下的电子数。3d4sP=45%P=100%自旋极化电子的特性自旋极化电子的特性铁磁体铁磁体磁磁化化方方向向为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益典型的两种效应:典型的两种效应:巨磁电阻GMR和隧道磁电阻TMR非磁金属Cu-GMR绝缘体Al2O3-TMR量子隧道效应示意图铁磁体铁磁体中间层绝缘层势垒Rp=平行耦合时的电阻平行耦合时的电阻Rap=反平行耦合时的电阻反平行耦合时的电阻为了规
7、范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益 1986 在在Fe/Cr/Fe纳米磁性多层膜发现纳米磁性多层膜发现反铁磁层间耦合效应反铁磁层间耦合效应二、二、巨磁电阻巨磁电阻GMR是自旋电子学产生的基石是自旋电子学产生的基石为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益1986年 P.Grnberg Fe/Cr/Fe 三明治结构中Cr适当厚度产生反铁磁耦合反铁磁耦合Unguris.et al.Phys.Rev.Lett.67(1991)140FeFeFeFeCr
8、Cr 1nm1nm反铁磁耦合与振荡效应的实验证明FeFeFeFeCrCr彼得格林贝格尔饱和磁场随Cr层厚度变化的振荡关系铁磁耦合铁磁耦合反铁磁耦合反铁磁耦合为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益19881988年年 Baibich,A.Fert等 发现(Fe/Cr)多层膜的巨磁电阻效应 金属多层膜的巨磁电阻反铁磁耦合(H=0)Phys.Rev.Lett.61(1988)2472Fe/CrCo/Cu阿尔贝费尔为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法
9、权益A.FertG.Binasch,P.Grnberg,et al.,PRB 39(1989)4828.为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益(Fe/Cr)n的R/R0磁电阻随周期数n的增加而增大Parkin.et al.Phys.Rev.Lett.64(1990)2304R/R()随Cr厚度变化的振荡关系饱和磁场随Cr层厚度变化的振荡关系1990年Parkinetal多层膜的交换耦合振荡效应交换耦合振荡效应和巨磁电阻效应巨磁电阻效应1020304051015Cr thickness()Saturation Fiel
10、d(kOe)饱和磁场随Cr层厚度变化的振荡关系磁控溅射法为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益(Co/Cu多层膜)磁化强度平行,RP电阻小磁化强度反平行,RAP电阻大RPRPRPRPRAPRAPRAPRAP二流体模型自旋电子极化方向平行磁化强度方向-平均自由程长自旋电子极化方向反平行磁化强度方向-平均自由程短巨磁电阻GMRCuCo为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益GMR自旋阀自旋阀SV1990年 Shinjo 两种不同矫顽力铁磁层的自旋
11、阀结构1991年 Dieny 用反铁磁层钉扎一层铁磁层的自旋阀结构用反铁磁层钉扎一层铁磁层的自旋阀结构J.Appl.Phys.69(1991)4774Si/150NiFe/26Cu/150NiFe/150FeMn/20AgMR=7%反铁磁层反铁磁层钉扎铁磁层自由铁磁层SiFeNi15nmFeNi15nmCu2.6nmFeMn15nmAg2nmMR=2.2%为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益GMR的部分应用的部分应用反铁磁层铁磁层 1铁磁层 2非磁性层硬盘读出磁头硬盘读出磁头GMR隔离器传感器GMR-typeMRA
12、M(Honeywell公司曾制作出1Mb的MRAM,估计军方是唯一用户)为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益2004年年 170Gbit/in2预计不久到 1000 Gbit/in2,最终可能到 50 Tbit/in2(100nm65Gbit/in2)2000100硬磁盘读出头的发展硬磁盘读出头的发展TMR磁头磁头-300 Gbit/in2 (2006)为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益CompassingGlobalPosition
13、SystemsVehicleDetectionNavigationRotationalDisplacementPositionSensingCurrentSensingCommunicationProducts通信产品TheWorldofMagneticSensors罗盘全球定位车辆检测导航位置传感器电流传感器转动位移为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益三、隧道磁电阻三、隧道磁电阻TMR1975年 Julliere 在Fe/Ge/Co中发现两铁磁层中磁化平行和反 平行 的电导变化在4.2K为14。Phys.Lett
14、.54A(1975)2251982年 Maekawa等 在Ni/NiO/Ni,(Fe、Co)等发现磁隧道电阻效应IEEE Trans.Magn.18(1982)707钉扎铁钉扎铁磁层磁层非磁绝缘层非磁绝缘层可变铁可变铁磁层磁层电流方向电流方向电流方向电流方向自旋极化电流自旋极化电流磁化强度方向磁化强度方向为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益自旋极化度N和N分别表示在费密面自旋向上和向下的电子数。电阻RP小 电阻RAP大隧道磁电阻TMR量子隧道效应示意图(Fe/Al2O3/Fe)为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适
15、应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益1995年年 Miyazaki 在Fe/Al2O3/Fe三明治结构,在室温下有15.6的磁隧道电导变化,磁场灵敏度为8/Oe。Al2O3FeFeAl2O3FeFeJ.Magn.Magn.Mater.139(1995)L231-151(1995)403Fe/Al2O3/Fe电阻隧磁场变化Fe/Al2O3/Fe磁滞回线(一一)氧化铝为绝缘层的磁隧道电阻氧化铝为绝缘层的磁隧道电阻为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益自由复合自由复合铁磁层铁磁层绝
16、缘层绝缘层反铁磁层反铁磁层钉扎铁磁层钉扎铁磁层隧道结典型示例隧道结典型示例为了规范事业单位聘用关系,建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度,保障用人单位和职工的合法权益(二二)MgO单晶势垒的磁隧道效应w.wulfhekel Appl phys lett vol 78 509(2001.1)用MBE制备单晶磁隧道结MgO(001)基片Fe MgO(001)Fe(001)Fe(001)MgO(001)-5ML/Fe(001)STM测量隧道效应,黑线对应灰色区域,虚线对应黑点(较低的隧道势垒)。镀上金Au电极层实验为理论提供条件实验为理论提供条件Fe(100)MgO 3.9M
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