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、,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,Peter Grnberg-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；2

2、007年获沃尔夫基金奖物理奖(与Fert共同获得)。,Albert Fert-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。,一、序言,二、

3、巨磁电阻GMR,三、隧道磁电阻TMR,五、物理所MRAM研究进展,四、硬盘存储器-垂直磁存储技术,一、序言,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,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。,室温下自旋扩散长度,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,自旋极化电子的特性,B.电子自旋极化度,当电子通过

4、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 Co50Fe50 Co84Fe16 自旋极化度() 33 45 44 48 51 49,N和N分别表示在费密面自旋向上和向下的电子数。,自旋极化电子的特性,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,Rap=反平行耦合时的电阻,1986 在Fe/Cr/Fe纳米磁性多层膜发现反铁磁层间耦合效应,二、巨磁电阻GM

5、R,是自旋电子学产生的基石,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,Unguris.et al.Phys.Rev.Lett.67(1991)140,反铁磁耦合与振荡效应的实验证明,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,反铁磁耦合,1988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)2472,Fe/Cr,Co/Cu,阿尔贝费尔,A.Fert,G. Binasch, P. Grnberg, et al.,

6、PRB 39 (1989) 4828.,(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)2304,R/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Parkin et al 多层膜的交换耦合振荡效应和巨磁电阻效应,饱和磁场随Cr层厚度变化的振荡关系,磁控溅射法,(Co/Cu多层膜),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 GMR,Cu,Co,GMR自旋阀SV,1990年 Shinjo 两种不同矫顽力铁磁层的自旋阀结构,

7、1991年 Dieny 用反铁磁层钉扎一层铁磁层的自旋阀结构,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的部分应用,硬盘读出磁头GMR隔离器传感器GMR-type MRAM,(Honeywell公司曾制作出1Mb的MRAM, 估计军方是唯一用户),2004年 170Gbit/in2,预计不久到 1000 Gbit/in2,最终可能到 50 Tbit/in2,(100n

8、m65Gbit/in2),硬磁盘读出头的发展,TMR磁头- 300 Gbit/in2 (2006),Compassing,Global Position Systems,Vehicle Detection,Navigation,Rotational Displacement,Position Sensing,Current Sensing,Communication Products 通信产品,The World of Magnetic Sensors,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,三、隧道磁电阻TMR,1975年 Julliere 在Fe/Ge/Co中发

9、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.54A(1975)225,1982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,钉扎铁磁层,非磁绝缘层,可变铁磁层,电流方向,电流方向,自旋极化电流,磁化强度方向,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),1995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

10、敏度为8/Oe。,Al2O3,Fe,Fe,J.Magn.Magn.Mater.139(1995)L231-151(1995)403,Fe/Al2O3/Fe电阻隧磁场变化,Fe/Al2O3/Fe磁滞回线,(一)氧化铝为绝缘层的磁隧道电阻,自由复合铁磁层,绝缘层,反铁磁层,钉扎铁磁层,隧道结典型示例,(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

11、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,Fe(100),MgO 3.9ML,Fe(100),MgO 2ML,Fe 5ML,Fe(100),MgO 5ML,Au,2001.1实验结果,2001.9 A.Fert小组用氧化镁做绝缘层，在30K得到TMR60,CoFeB/MgO/CoFeB磁隧道结的TMR,Djayaprawira. et al.Appl phys.lett.86.092502(2005),退火温度TA=3600C (2h，H=8kOe),採用磁控濺射技术制备MTJ (1mx1m),MgO用射频rf濺射制备,CoFeB/MgO界面清晰、平

12、滑，MgO有很好的(001)纤维晶体织构,2005.2 实验结果,2006年12月日本日立公司和东北大学发表：TMR472,写入,读出,位线,字线,写线,写线,位线,字线,CMOS,磁性隧道结的应用-MRAM,Motorola MTJ MRAM structure,MRAM与现行各存储器的比较（F为特征尺寸）,MRAM,DRAM,FLASH,非挥发性 高的集成度 高速读取写入能力 重复可读写次数近乎无穷大 功耗小,基于TMR构建的磁存储器(MRAM)具有,MRAM具有抗辐照能力,（国防、航天至关重要）,四、硬盘存储器-垂直磁存储技术,IBM RAMAC 19552 kbits/in250 x2

13、4” dia disks,Microdrive 20041 x 1” dia diskSize:430.5cm,8 Gbyte,5 Mbyte,Seagate 2004108 Gbits/in23 x 3.5” disks目前总量: 750 Gbyte密度: 150 Gbit/in2,400 Gbyte,Scaling,磁盘片发展过程,硬盘磁记录发展历史,1Gb,Deskstar 7K1000 * 1000/750 GB SATA * 最大磁录密度为每平方英寸148GB * 最大磁碟数据传输速率为1,070Mb/s * 平均寻道时间（包括指令执行时间）为8.7毫秒 * 转速7200RPM，平均

14、延迟时间为4.17毫秒 * 高26.1毫米（最大） * 重700g（最大） * 5/4 磁碟，10/8 录写磁头 SATA * 300 G/1 ms震动（非作业避震） * 9.0（5磁碟）/8.1（4磁碟）瓦特省电空闲 SATA * 一般空闲声量：2.9贝尔 * 作业温度：摄氏5至60度,Deskstar 7K1000 SATA版本将于2007年第一季度上市，有750GB和1TB两种容量。1TB容量硬盘的建议零售价为399美元。,日立环球存储科技（Hitachi GST）公司,硬磁盘,硬磁盘可能的竞争对手,(垂直磁记录),闪存 Flash,MRAM,读写速度机械运动,连续磁介质,非连续磁介质,

15、图形磁介质,热辅助垂直记录,氧化物存储,相变存储,高存储密度读写速度快无运动部件完全是微电子工艺,闪存 Flash,价格偏高读写循环次数少寿命？,浮动栅用量子点或纳米颗粒,发现了电致各向异性电阻、磁电阻效应,氧化物存储技术,有可能成为信息存储器件的新原理,大电流处理,小电流测量,首先通入大电流处理样品，然后撤掉处理电流，通入小电流沿不同方向测量电阻。发现和处理电流同向时电阻较小，反之电阻大的多。类似p-n结的整流行为。表明电致各向异性电阻效应。,相变存储技术,相变材料的特性： 从熔点冷却到室温形成非晶态；从室温升到晶化温度以上，低于熔点，冷却下来为晶态。晶态电阻小(读为“0” )，非晶态电阻大

16、(读为“1” )。,大电流擦除；中电流写入；小电流读出,GeSbTe,五、物理所MRAM研究进展,MTJ研究进展,Head and MRAM 对性能的要求,IOP/CAS,磁性隧道结研究进展,4x4 MRAM DEMO,16x16,(6) 制备磁隧道结，完成 MRAM的封装,Integrated 16x16 MRAM DEMO,完成三十批次共33片磁性隧道结阵列的制备,封装出150余个44 MRAM演示芯片和150 余个1616 MRAM演示芯片,新型环形隧道结,为减小驱动电流，包覆软磁层聚束磁场。,2、漏磁大，单元间磁干扰增加， 存 储密度减小,3、尺寸减小，矫顽力增大，增加 反转的驱动电流

17、,2、磁路闭合，漏磁小,3、矫顽力小，随尺寸减小，矫顽力 变化不大，驱动电流小,传统磁隧道结,环形磁隧道结,1、电流驱动写入,1、磁场驱动写入,+,+,+,-,-,-,To draw comparisons between two prototype MRAMs,( I ),( II ),环形磁隧道结,传统磁隧道结,磁逻辑门的工作原理,上层和下层平行为 “1”,上层和下层反平行为 “0”,输入线A,B同时加电流可改变上层磁化强度方向，即读“0”或“1”,磁双极自旋晶体管,自旋阀（MTJ) 型晶体管,自旋晶体管,MR0.55,通过铁磁层把自旋电子注入二维电子气,( 实验 ),接触尺寸2x16m2,例一,半导体自旋电子器件,( 铁磁半导体电极 ),PRL 87(2001)026602,磁隧道三极管 (隧道热电子注入),Ic 集电极电流,科学进步提出需求,谢 谢,