巨磁电阻效应

六、巨磁电阻GMR效应、磁电子学和磁电子器件

1988年，法国巴黎大学Baibich等人报道了，在由Fe，Cr交替沉积而形成的多层膜（Fe/Cr）N（N为周期数）中，发现了超过50%的磁电阻变化率。由于这个结果远远超过了多层膜中Fe层磁阻MR的总和，所以这种现象被称为“巨磁电阻效应（GMR）”，在当时真正可称为惊人的发现。如图7-23所示是这种多层膜的结构示意图及电阻变化率ΔR/R与外加磁场H的关系曲线。随后，世界各国的许多实验室相继开展了GMR的研究工作，在短短几年的时间里取得了引人注目的理论及实验成果，并使研究成果迅速进入应用领域。1995年，美国物理学会将GMR效应列为当年凝聚态物理中五个研究热点的首位。

由于交换作用，对磁矩有贡献的d电子的能带产生劈裂，自旋向上的d电子能带降到费米能级以下，因而，自旋向下的电子要比自旋向上的电子少，两者的差异造成了铁磁过渡金属元素原子磁矩的非整数性（如图7-24所示）。受这一模型的启示，英国著名物理学家、诺贝尔奖获得者N.F.Mott提出了一个关于铁磁性金属导电的理论，即所谓“二流体模型”：在铁磁金属中，导电的s电子要受到磁性原子磁矩的散射作用（即与局域的d电子作用），散射的几率取决于导电的s电子自旋方向与固体中磁性原子磁矩方向的相对取向。进一步的实验表明，自旋方向与磁矩方向一致的电子受到的散射作用很弱，自旋方向与磁矩方向相反的电子则受到强烈的散射作用，而传导电子受到散射作用的强弱直接影响到材料电阻的大小。1986年，德国人P.Grunberg在Fe/Cr/Fe三明治结构中发现，当CR层厚度合适时，两Fe层之间存在反铁磁耦合作用。根据这一结果，几十年来一直致力于研究薄膜中磁致电阻现象的法国巴黎大学的物理学家A.Fert设计了如图7-23所示的（Fe/Cr）N多层膜，成功地使磁电阻效应得到放大，使之成为巨磁电阻。随后，大量的工作表明，GMR效应广泛存在于过渡金属磁性多层膜、纳米尺度的磁性颗粒膜、自旋阀结构、磁隧道结以及氧化物薄膜中。据早期报道，存在GMR现象的多层膜样品都是用分子束外延法（MBE）制备的，这是一种超高真空镀膜技术，在镀膜过程中平均每分钟才形成一个单原子层，可想而知，这是一种十分复杂、精密而且价格昂贵的设备。从而限制了GMR的研究范围。1990年，美国学者S.S.Parkin等人用磁控溅射法制取的多晶（Fe/Cr）N，在（Co/Ru）N多层膜中观察到了GMR现象和层间耦合振荡。从此，GMR的研究工作得到了极大的推进，因为磁控溅射法的设备简单、价格低廉，同时也使GMR材料的广泛应用成为可能。

图7-23　多层膜磁阻效应与原理示意图

天下大事，分久必合，合久必分。如今磁学和电子学竟然合成了一门新兴的交叉学科——“磁电子学”，这是偶然还是必然呢？电子既是电荷的负载体，但同时又是自旋的负载体。作为电荷的负载体，1947年贝尔实验室巴丁和布拉顿在半导体锗中，发现了微小的电流变化会引起功率输出的巨大变化，被称为晶体管效应，从而在相当大的领域中替代了电子管，开创了半导体电子学，并从分立晶体管器件发展到集成电路和大规模集成电路。微电子学的发展极大地推动了世界文明，巴丁、布拉顿和肖克莱分享了1956年度诺贝尔物理学奖。电子作为电荷载体可用电场来控制它的输运性质，在半导体材料中有电子和空穴两种载流子，利用这两种载流子的输运性质发展了当今的微电子学。

图7-24　过渡金属的态密度函数N(E)示意图

电子则又是自旋的载体，极化后电子处于自旋向上或向下的状态，因此极化电流像半导体材料电子和空穴两种载流子一样，有自旋向上和向下两种载流子。能否控制这两种载流子做成电子器件?或者同时利用电子、空穴和自旋向上、向下四种载流子做成电子器件?这就是磁电子学所要研究的问题。

以研究、控制和应用半导体中数目不等的电子和空穴的输运特性为主要内容的微电子学，是20世纪人类最伟大的创造之一。在微电子学中，电子的自旋状态一般是不考虑的。在铁磁金属中，由于交换劈裂，费米面处自旋向上与自旋向下的电子态密度不等，因而自旋向上电子数与自旋向下电子数是不等的，故传导电子流是自旋极化的。以前人们只是在研究材料的磁性时考虑电子的自旋问题，近几年随着纳米磁性多层膜中巨磁电阻效应（GMR）的发现和在高密度信息记录中的成功应用，以及对材料微结构的进一步研究，人们开始探讨将电子自旋和材料的磁特性应用到电子器件中，从而提出了磁电子学（Magnetoelectronics），也有人称之为自旋电子学（Spintronics）的概念。磁电子学就是以研究这种介观尺度范围内自旋极化电子的输运特性（包括自旋极化、自旋相关的散射与自旋弛豫），以及基于这些独特性质而设计、开发的具有独特功能的电子器件为主要内容的一门新兴交叉学科。

自旋电子有哪些输运特性呢？它包括：自旋极化、自旋相关散射、自旋弛豫、巨磁电阻效应（GMR）（如图7-23所示）、自旋相关隧道效应（SDT）以及场致磁效应等。在过去的几年内，已经利用GMR效应开发出一系列高灵敏度磁电子器件，并投入应用；在自动化传感器方面，将引发传感器的更新换代；在高密度存储方面，巨磁电阻磁头已使计算机外存储器——硬盘的容量取得了突破性的增长；在计算机内存方面，磁电阻随机存储器MRAM将引起内存芯片的革命。人们还利用电子自旋设计出一些三端电子器件模型，以期望设计出功能更强的新型磁电子器件。

巨磁电阻效应的另一个极有前景的应用是磁电阻随机存储器MRAM（Magneto-resistance RAM）。MRAM是利用磁性材料的不同磁化状态存储信息，同时也通过巨磁电阻效应读出信息的一种新型随机存储器。它通常由一系列由自旋阀结构组成的基本MRAM单元，按一定的方式排列而成，并且仅当字线和感线同时作用于某一个存储单元时，才完成对此单元的读或写过程。图7-25是1994年Brown和Pohm 设计制作的自旋阀MRAM存储单元示意图。图7-25（a）是MRAM单元磁膜的两种磁化状态的俯视图，用来表示“0”和“1”，图中阴影箭头指示GMR三明治结构的下铁磁层（钉扎层）的磁化方向，空心箭头指示GMR三明治结构的下铁磁层（自由层）的磁化方向。图7-25（b）是MRAM单元的结构示意图，Iw、Is分别为字线电流和感线电流，通过GMR的感线电流所产生的磁场在GMR三明治结构上、下两铁磁层处的方向是相反的。

图7-25　GMRMRAM单元结构示意图

MRAM存储器具有非易失性、读写速度快（与半导体SRAM比拟）、存储密度高（与半导体DRAM比拟）、功耗低、可靠性高、具有耐强辐射等优点，其制作工艺与半导体工艺有兼容的可能，有广泛的应用前景，将来可望取代现有的半导体存储器。

磁三端器件是一种全金属自旋三极管，1993年Johnson指出，由一个铁磁金属发射极、一个厚度小于自旋扩散长度的非磁金属基极和另一个铁磁金属接收极组成的“铁磁金属/非磁金属/铁磁金属”三明治结构具有双极性开关的特性。在图7-26中，图7-26（a）为自旋三极管双极性示意图；图7-26（b）、图7-26（c）分别为自旋三极管发射极、基极及接收极（其磁化方向与发射极的磁化方向平行和反平行时）在不同情况下的态密度示意图。

自旋三极管有以下特点：首先，三极都由金属构成，是一种低阻抗器件；第二，该器件用电流作为偏置，可用电压也可用电流作为输出；第三，依靠非平衡磁化来工作，基极尺寸越小，非平衡磁化强度越大，其性能也就越强，故自旋晶体管的性能随其尺度的减小而增强；第四，由于磁性材料固有的磁滞，该器件具有记忆功能，可用于信息存储。通过外磁场可任意设置发射极和接收极的磁化方向，从而设置其开关状态，具有开关效应。通过组合改变发射极与接收极的磁化方向，还可以由自旋晶体管组成各种逻辑电路和微处理器。

图7-26　自旋晶体管与各极态密度示意图

此外，还有利用垂直巨磁电阻效应与半导体组合的自旋阀三极管，如图7-27所示给出了自旋阀三极管的原理，全钙钛矿结构的铁电场效应管等。

图7-27　自旋阀三极管示意