巨磁電阻GMR是自旋電子學(xué)產(chǎn)生的基石ppt課件

1、,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 重點實驗室 2007.12.,2007年諾貝爾物理學(xué)獎,Peter Grnberg-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)會頒發(fā)的新材料國際獎(Fert、Parkin共同獲得)；1998年獲由德國總統(tǒng)頒發(fā)的德國未來獎；

2、2007年獲沃爾夫基金獎物理獎(與Fert共同獲得)。,Albert Fert-費爾 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)固體物理實驗室工作。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)會頒發(fā)的新材料國際獎， 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)會頒發(fā)的歐洲物理學(xué)大獎，以及2003年獲法國國家科學(xué)研究中心金獎。,一、序言,

3、二、巨磁電阻GMR,三、隧道磁電阻TMR,五、物理所MRAM研究進(jìn)展,四、硬盤存儲器-垂直磁存儲技術(shù),一、序言,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,低溫下電子彈性散射的平均時間間隔10-13 秒， 平均自由程10nm。,非彈性散射的平均時間間隔10-11 秒， 相位干涉長度1m。,極化電子自旋保持原有極化方向 的平均間隔時間10-9 秒， 自旋擴(kuò)散長度100m。,室溫下自旋擴(kuò)散長度,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.電子的輸運性質(zhì),自旋極化電子的特性,B.電子自旋極化度,當(dāng)電子

4、通過鐵磁金屬時，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,實驗結(jié)果：,材料 Ni Co Fe Ni80Fe20 Co50Fe50 Co84Fe16 自旋極化度() 33 45 44 48 51 49,N和N分別表示在費密面自旋向上和向下的電子數(shù)。,自旋極化電子的特性,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=平行耦合時的電阻,Rap=反平行耦合時的電阻,1986 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

5、GMR,是自旋電子學(xué)產(chǎn)生的基石,1986年 P.Grnberg Fe/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.et al.Phys.Rev.Lett.67(1991)140,反鐵磁耦合與振蕩效應(yīng)的實驗證明,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,1988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)2472,Fe/Cr,Co/Cu,阿爾貝費爾,A.Fert,G. Binasch, P. Grnberg, et al.

6、, PRB 39 (1989) 4828.,(Fe/Cr)n的R/R0磁電阻隨周期數(shù)n的增加而增大,Parkin.et al.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)arkin et al 多層膜的交換耦合振蕩效應(yīng)和巨磁電阻效應(yīng),飽和磁場隨Cr層厚度變化的振蕩關(guān)系,磁控濺射法,(Co/Cu多層膜),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 GMR,Cu,Co,GMR自旋閥SV,1990年 Shinjo 兩種不同矯頑力鐵磁層的自旋閥結(jié)

7、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)4774,Si/150NiFe/26Cu/150NiFe/150FeMn/20Ag,MR=7 %,S i,FeNi 15 nm,FeNi 15 nm,Cu 2.6 nm,FeMn 15 nm,Ag 2 nm,MR=2.2 %,GMR的部分應(yīng)用,硬盤讀出磁頭 GMR隔離器 傳感器 GMR-type MRAM,(Honeywell公司曾制作出1Mb的MRAM, 估計軍方是唯一用戶),2004年 170Gbit/in2,預(yù)計不久到 1000 Gbit/in2,最終可能到 50 Tbit/in2,

8、(100nm65Gbit/in2),硬磁盤讀出頭的發(fā)展,TMR磁頭- 300 Gbit/in2 (2006),Compassing,Global Position Systems,Vehicle Detection,Navigation,Rotational Displacement,Position Sensing,Current Sensing,Communication Products 通信產(chǎn)品,The World of Magnetic Sensors,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,位移,三、隧道磁電阻TMR,1975年 Julliere 在Fe/Ge

9、/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)225,1982年 Maekawa等 在Ni/NiO/Ni，(Fe、Co)等發(fā)現(xiàn)磁隧道電阻效應(yīng),IEEE Trans.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,自旋極化度,N和N分別表示在費密面自旋向上和向下的電子數(shù)。, 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),1995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

10、化，磁場靈敏度為8/Oe。,Al2O3,Fe,Fe,J.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,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,(二) MgO單晶勢壘的磁隧道效應(yīng),w.wulfhekel Appl phys lett vol 78 509 (2001.1),用MBE制備單晶磁隧道結(jié),MgO(001)基片,Fe,MgO(001),Fe (001),Fe(001),MgO(001)-5ML/Fe(001),STM測量隧道

11、效應(yīng)，黑線對應(yīng)灰色區(qū)域，虛線對應(yīng)黑點(較低的隧道勢壘)。,鍍上金Au電極層,實驗為理論提供條件,Fe(100),MgO 3.9ML,Fe(100),MgO 2ML,Fe 5ML,Fe(100),MgO 5ML,Au,2001.1實驗結(jié)果,2001.9 A.Fert小組用氧化鎂做絕緣層，在30K得到TMR60,CoFeB/MgO/CoFeB磁隧道結(jié)的TMR,Djayaprawira. et al.Appl phys.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

12、面清晰、平滑，MgO有很好的(001)纖維晶體織構(gòu),2005.2 實驗結(jié)果,2006年12月日本日立公司和東北大學(xué)發(fā)表：TMR472,寫入,讀出,位線,字線,寫線,寫線,位線,字線,CMOS,磁性隧道結(jié)的應(yīng)用-MRAM,Motorola MTJ MRAM structure,MRAM與現(xiàn)行各存儲器的比較（F為特征尺寸）,MRAM,DRAM,FLASH,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)建的磁存儲器(MRAM)具有,MRAM具有抗輻照能力,（國防、航天至關(guān)重要）,四、硬盤存儲器-垂直磁存儲技術(shù),IBM RAMAC 1955 2 kbits/in

13、2 50 x24” dia disks,Microdrive 2004 1 x 1” dia disk Size:430.5cm,8 Gbyte,5 Mbyte,Seagate 2004 108 Gbits/in2 3 x 3.5” disks 目前 總量: 750 Gbyte 密度: 150 Gbit/in2,400 Gbyte,Scaling,磁盤片發(fā)展過程,硬盤磁記錄發(fā)展歷史,1Gb,Deskstar 7K1000 * 1000/750 GB 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 * 平均尋道時間（包括指令執(zhí)行時間）為8.7毫秒

14、* 轉(zhuǎn)速7200RPM，平均延遲時間為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 * 300 G/1 ms震動（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,Deskstar 7K1000 SATA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為399美元。,日立環(huán)球存儲科技（Hitachi GST）公司,硬磁盤,硬磁盤可能的競爭對手,(垂直磁記錄),閃存 Flash,MRAM,讀寫速度機(jī)械運動

15、,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,相變存儲,高存儲密度 讀寫速度快 無運動部件 完全是微電子工藝,閃存 Flash,價格偏高 讀寫循環(huán)次數(shù)少 壽命？,浮動?xùn)庞昧孔狱c或納米顆粒,發(fā)現(xiàn)了電致各向異性電阻、磁電阻效應(yīng),氧化物存儲技術(shù),有可能成為信息存儲器件的新原理,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)。,相變存儲技術(shù),相變材料的特性： 從熔點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，冷卻下來為晶態(tài)。

16、晶態(tài)電阻小(讀為“0” )，非晶態(tài)電阻大(讀為“1” )。,大電流擦除；中電流寫入；小電流讀出,GeSbTe,五、物理所MRAM研究進(jìn)展,MTJ研究進(jìn)展,Head and MRAM 對性能的要求,IOP/CAS,磁性隧道結(jié)研究進(jìn)展,4x4 MRAM DEMO,16x16,(6) 制備磁隧道結(jié)，完成 MRAM的封裝,Integrated 16x16 MRAM DEMO,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44 MRAM演示芯片和150 余個1616 MRAM演示芯片,新型環(huán)形隧道結(jié),為減小驅(qū)動電流，包覆軟磁層聚束磁場。,2、漏磁大，單元間磁干擾增加， 存 儲密度減小,3、尺寸減小，矯頑力增大，增加 反轉(zhuǎn)的驅(qū)動電流,2、磁路閉合，漏磁小,3、矯頑力小，隨尺寸減小，矯頑力 變化不大，驅(qū)動電流小,傳統(tǒng)磁隧道結(jié),環(huán)形磁隧道結(jié),1、電流驅(qū)動寫入,1、磁場驅(qū)動寫入,+,+,+,-,-,-,To draw comparisons between two prototype