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

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

"for the discovery of Giant Magnetoresistance"

Albert Fert Université Paris-Sud; Unité Mixte de Physique CNRS/THALES Orsay, France

Peter Grünberg Forschungszentrum Jülich Jülich, Germany

Fert 的原创工作

极高的磁电阻， 4.2 K引用次数： 1751 次

Grunberg 的原创工作

三明治结构，室温， 1.5 % 。引用次数： 551 次。

层间反铁磁耦合。引用次数： 632 次。

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

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。

j

M

磁电阻效应

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。

)31

)(cos(3

2 2//

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

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。

自旋相关散射 Mott 双电流模型

R↑

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。

R↑

R↓

H=0

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。

R↑

R↓

层间反铁磁（ AF ）耦合

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

H≠0

High field

Low sensitivity

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

100 Å FeMn

150 Å NiFe

150 Å NiFe

Si substrate

20 Å Ag

Pinning layer

Pinned layer

Free layer

26 Å Cu

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

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

Memorable Attractions of Tunnelling Magnetoresista by Simon Mitton

Rank Paper

1A.G. Riess, et al., "Type Ia supernova discoveries at z 1 from the Hubble Space Telescope: Evidence for past deceleration and constraints on dark energy evolution," Astrophys. J., 607(2): 665-87, 1 June 2004. [8 U.S. and German institutions] *822LC

2S.S.P. Parkin, et al., "Giant tunnelling magnetoresistance at room temperature with MgO (100) tunnel barriers," Nature Materials, 3(12): 862-7, December 2004. [IBM Almaden Res. Ctr., San Jose, CA] *875WP

3S. Yuasa, et al., "Giant room-temperature magnetoresistance in single-crystal Fe/MgO/Fe magnetic tunnel junctions," Nature Materials, 3(12): 868-71, December 2004. [AIST, Tsukuba, Japan; Japan Sci. Tech. Agency, Kawaguchi] *875WP

7Y.K. Kato, et al., "Observation of the spin Hall effect in semiconductors," Science, 306(5703): 1910-3, 10 December 2004. [U. Calif., Santa Barbara] *879DC

10D.D. Djayaprawira, et al., "230% room-temperature magnetoresistance in CoFeB/MgO/CoFeB magnetic tunnel junctions," Appl. Phys. Lett., 86(9): 092502, 28 February 2005. [Anelva Corp., Yotsuya, Japan; AIST, Tsukuba, Japan] *924PT

November/December 2006

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

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

HDD 的关键－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。

I

M

AMR 读出磁头

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.

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 & Dev 50 (2006) 25.

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

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。

vmne ,

2

电子自旋！ 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。 http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/spin.html

两个取向！！

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

0

NN

NNP

Co Ni80Fe20 Fe

↑(nm) 5.5 4.6 1.5

↓(nm) 0.6 0.6 2.1

自旋晶体管

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

77 K ， 500 Oe 下，集电极电流变化 215 ％。

程控逻辑元件

A. Ney, C. Pampuch, R. Koch and K. H. Ploog, Nature 425 (2003) 485.

Spin torque

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

自旋极化电流控制磁化状态

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。

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。

D. Rugar, R. Budakian, H. J. Mamin and B. W. Chui, Nature 430 (2004) 329.

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

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。