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只是应用于 iPod 的 GMR 效应？ －－漫谈 2007 诺贝尔物理奖

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.

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只是应用于 iPod 的 GMR 效应？ －－漫谈 2007 诺贝尔物理奖

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  1. 只是应用于iPod的GMR效应？－－漫谈2007诺贝尔物理奖只是应用于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

  2. 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

  3. 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.

  4. "for the discovery of Giant Magnetoresistance" The Nobel Prize in Physics 2007

  5. Fert的原创工作 • 极高的磁电阻，4.2 K 引用次数：1751次

  6. 层间反铁磁耦合。引用次数：632次。 Grunberg的原创工作 • 三明治结构，室温，1.5 %。引用次数：551次。

  7. 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

  8. 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。 M  j • 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。 磁电阻效应 Magnetic multilayers and giant magnetoresistance : fundamentals and industrial applications, Springer 2000

  9. 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。 R↑ • 自旋相关散射 Mott双电流模型 R↓

  10. R↑ H=0 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。

  11. R↓ R↑ 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。

  12. High field Low sensitivity H≠0 层间反铁磁（AF）耦合 http://www.fz-juelich.de/iff/e_news_19-12-2006

  13. 20 Å Ag Pinning layer 100 Å FeMn Pinned layer 150 Å NiFe 26 Å Cu Free layer 150 Å NiFe Si substrate 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 sputtering B. Dieny and S. S. P. Parkin, et al, Phys. Rev.B43 (1991) 403.

  14. 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.

  15. November/December 2006 WHAT'S HOT IN PHYSICS Memorable Attractions of Tunnelling Magnetoresista by Simon Mitton Dr. Simon Mitton is a Fellow of St. Edmund’s College, Cambridge, U.K. http://www.sciencewatch.com/nov-dec2006/sw_nov-dec2006_page6.htm

  16. 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

  17. I M HDD的关键－读出磁头 AMR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。

  18. 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.

  19. 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 & Dev50 (2006) 25.

  20. 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

  21. 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。

  22. 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。 电子自旋！ 两个取向！！ http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/spin.html

  23. 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。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

  24. 自旋晶体管 • 77 K，500 Oe下，集电极电流变化215％。 D. J. Monsma, J. C. Lodder, Th. J. A. Popma, and B. Dieny, Phys. Rev. Lett. 74 (1995) 5260.

  25. 程控逻辑元件 A. Ney, C. Pampuch, R. Koch and K. H. Ploog, Nature425 (2003) 485.

  26. 自旋极化电流控制磁化状态 Spin torque J. Slonczewski, J. Magn. Magn. Mater. 159 (1996) L1.

  27. 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。

  28. 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。 After P. C. Hammel, Nature 430 (2004) 300 D. Rugar, R. Budakian, H. J. Mamin and B. W. Chui, Nature430 (2004) 329.

  29. 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。 谢谢各位！

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