磁性物質(zhì)中的電荷-自旋輸運(yùn)課件

磁性物質(zhì)中的電荷－自旋輸運(yùn)各種磁電阻效應(yīng)*巨磁電阻（GMR）效應(yīng)――Mott兩流體模型*隧道磁電阻（TMR）效應(yīng)――Julliere公式*自旋電子學(xué)――Schmidt障礙*CMR效應(yīng)――Zener雙交換模型磁性物質(zhì)中的電荷－自旋輸運(yùn)各種磁電阻效應(yīng)1極地光極地光2磁場中的電子（Lorentz力）極地光托克馬克磁控濺射電子顯微鏡電子的自旋正常磁電阻

磁場中的電子（Lorentz力）極地光3鐵磁金屬能帶

鎳的電子

狀態(tài)密度DOS

diligentelectrons

lazyelectrons

鐵磁金屬能帶

鎳的電子

狀態(tài)密度DOS

diligen4能帶的交換劈裂導(dǎo)致

物性的自旋極化

電子的兩個自旋子帶，狀態(tài)密度（DOS）不等1，自發(fā)磁矩

來源于整體（lazyelectrons）

2，電流極化

來源于Fermi面附近（diligentelectrons）

能帶的交換劈裂導(dǎo)致

物性的自旋極化電子的兩個自旋子帶，狀態(tài)5Mott二流體模型（1936）

T<<Tc,兩種電子之間的“自旋翻轉(zhuǎn)”可以忽略。近似地，總電阻是獨(dú)立的兩個自旋電子流的電阻值。ρ＝（ρ↑×ρ↓）/（ρ↑＋ρ↓）鐵磁金屬的Fermi面附近，s－與d－電子共存。散射幾率“自旋極化”Mott二流體模型（1936）T<<Tc,兩種電子之間6各向異性磁電阻（AMR）正、負(fù)磁電阻效應(yīng)發(fā)現(xiàn)：WThomson,Proc.Roy.Soc.8,p546(1857)物理：自旋－軌道作用降低了波函數(shù)的對稱性。→磁晶各向異性。(1940）→鐵磁體的各向異性磁電阻解釋（AMR）(1951)→自旋Hall效應(yīng)（SHE）(1999)各向異性磁電阻（AMR）正、負(fù)磁電阻效應(yīng)7層間AFM耦合（1986）層間AFM耦合（1986）8GMR效應(yīng)1988，A.Fert等，Gruenberg等GMR效應(yīng)9TMR的再發(fā)現(xiàn)

1995年Miyazaki(JMMM)TMR的再發(fā)現(xiàn)

1995年Miyazaki(JMMM)10必要條件

兩個特征長度：長程交換耦合λ≦2納米（Cr1。8nm；Cu1。2nm）平均自由程L≈10納米多層膜中單層厚度t：接近λ，但是要遠(yuǎn)小于L。必要條件兩個特征長度：11特征長度和表征方法1A1nm10nm100nmDirectexchangelength…………━RKKYexchangelength……………▄▄▄Magneticdipolarlength…..……….━━━━Meanfreepath……..……….……..………...▄▄▄Spindiffusionlength………………...▄▄▄▄▄▄▄▄▄▄

XRD………..…..━━━━━━━━━TEM………….……………….....━━━━━━━━━━━━SEM……━━━━━━━━━SPM…………..………………....━━━━━━━━━━━━特征長度和表征方法12GMR和TMR的應(yīng)用

成績：HDR的讀出磁頭MRAM原理：磁場控制電阻――磁敏電阻，被動器件！需要：主動器件？控制電流。

全金屬GMR晶體管太困難，功率放大？？遷移率低+結(jié)區(qū)寬GMR和TMR的應(yīng)用成績：HDR的讀出磁頭13GMR和TMR的應(yīng)用（續(xù)）1，BipolarSpintransistor無功率增益2，Spinfield-effecttransistor

金屬電極＋半導(dǎo)體通道金屬存在spininjection問題3，SpinvalvetransistorPt/Co/Cu/Co

集電極電流太低，信噪比低4，Spinsingle-electrontunnelingdevices

自旋堆積產(chǎn)生的非平衡態(tài)問題GMR和TMR的應(yīng)用（續(xù)）1，BipolarSpintr14自旋電子學(xué)的提出

（1）物理和主動（active）器件（2）要求和進(jìn)展自旋弛豫長度很長提高自旋注入效率磁性半導(dǎo)體作為“自旋源”光學(xué)、電學(xué)方法進(jìn)展自旋電子學(xué)的提出（1）物理和主動（active）器件15龐磁電阻（CMR）

（1）CMR的再發(fā)現(xiàn)

薄膜技術(shù)JonkerandvanSanten(1950)Jin，Tiefeletal(1994)龐磁電阻（CMR）（1）CMR的再發(fā)現(xiàn)16龐磁電阻（CMR）（續(xù)）（2）為甚麼有興趣？

Mott絕緣體高溫超導(dǎo)、CMR、重費(fèi)米子、巡游電子、量子Hall效應(yīng)強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系

超越“傳統(tǒng)的能帶理論”。龐磁電阻（CMR）（續(xù)）（2）為甚麼有興趣？17幾種MR效應(yīng)物理理解上的進(jìn)展

表現(xiàn)相似、本質(zhì)迥異AMR,GMR,TMR

能帶理論基礎(chǔ)上的“散射過程”。CMR

非能帶理論的“強(qiáng)關(guān)聯(lián)躍遷過程”。幾種MR效應(yīng)物理理解上的進(jìn)展表現(xiàn)相似、本質(zhì)迥異18磁性物質(zhì)中的電荷-自旋輸運(yùn)課件19CMR

La0.7Ca0.3MnO3/STO薄膜在稍低于Tc時的掃描隧道譜（看下一張圖）隨磁場增加共存的絕緣相與金屬相團(tuán)簇此消彼長Science285,(1999)1540CMRLa0.7Ca0.3MnO3/STO薄膜在稍低于T20磁性物質(zhì)中的電荷-自旋輸運(yùn)課件21各種“電子學(xué)”

1，電荷電子學(xué)

電壓（改變）電荷狀態(tài)，（控制）電流2，磁電子學(xué)磁場（改變）磁矩狀態(tài)電子（控制）電阻3，自旋電子學(xué)電場或光（改變）電荷自旋狀態(tài)（控制）電流4，軌道電子學(xué)電場或光（改變）軌道狀態(tài)（控制）電流各種“電子學(xué)”1，電荷電子學(xué)22軌道電子學(xué)？

激光電場改變軌道狀態(tài)，然后回復(fù)。