Ch 2 ， 巨磁电阻（ GMR ）效应

本节内容1 ，振荡的层间耦合（ 1986 ）2 ，金属量子阱中的自旋极化3 ， GMR 效应（ 1988 ）

重点： Mott 的两流体模型

1 ，层间耦合 问题的提出？

相邻 FM 层间的耦合作用与中间 NM 分隔层的厚度有关？

多层膜中的电子的本征状态？

Grunberg (1986 ）

布里渊散射

Fe/Cr/Fe

FM 层间的振荡耦合――普适现象

Parkin

的贡献（ 1990 ）

Co/Ru ， 振荡周期 约 12 埃

FM 层间的振荡耦合――直接观察（ SEMPA ）

Unguiris 等(1991)

Fe 单晶 /

Cr 尖劈 /

Fe 薄膜

FM 层间的振荡耦合―― VSM

阎明朗等1994 ， NiFe/Mo/NiFe

2 ，多层膜中，电子的状态 真空中的金属薄膜行波――平行方向 电子连续谱 E （ k// ） =k// 2

驻波――垂直方向 电子分立谱 E (k )⊥

波函数是由包络函数调制的快振荡的 Bloch 函数Bloch 函数 的波长 ＝ 2a （ a 晶格常数）包络函数波长由薄膜厚度决定。（厚度是半波长整数倍）

薄膜上的量子阱态

铁磁金属薄膜（自旋极化的）量子阱s － d 散射机制

薄膜 Cu （ 100 ）在 fcc Co （ 100 ）基底上

自旋极化的光发射谱（下左图）

能带结构图 （下右图）

层间耦合的理论 • 计算不同的 NM 厚度、不同的自旋状态的总能量。

• 比较哪个磁状态有利？

• 总能量→库仑作用→ DOS→ 波函数→非磁层厚度、铁磁层自旋状态。

• 注意：长程静磁（偶极）耦合！

交换作用 （ 1 ）氢分子三重态或单态←交换作用符号← 电子云（波函数）的重叠情况←电子波函数性质

（ 2 ） RKKY 作用铁磁或反铁磁态←交换作用的振荡←f 电子自旋之间，通过 s 电子间接交换作用← f 电子局域波函数＋ s 电子平面波波函数

振荡周期决定于 s 电子 Fermi 波长

铁磁金属量子阱 FM/NM/FM 中，

铁磁层间的振荡耦合

铁磁 FM 层之间的耦合能量，随非磁层厚度增加而振荡

振荡周期（波矢）为（与自由电子气比较）

各种 3d 、 4d 金属的结果相近？ 11—12A

反铁磁金属量子阱

AFM/NM /AFM 蔡健旺等NiFe/ FeMn/ Cu / FeMn

困难：反铁磁体的“ 磁化特性”

方法：交换偏置表征

振荡周期：加倍（ 21A) 10 20 30 40 50

0

10

20

30

40

50

60

Exc

hang

e bi

as (

Oe)

Thickness of Cu spacer (A)

28A 26A

第二次（ 11 月 10 日）

上一次 的 内容（ 1 ） FM/NM 多层膜中， 相邻 FM 层之间的耦合 随 NM 层厚度变化→振荡衰减

（ 2 ）单层厚度为若干纳米

（ 3 ） NM 层中电子处于“磁性量子阱”

关于上述（ 2 ），多层膜中单层膜厚度 t 的限制

金属： t （≈ 2nm ）《 λ(≈20nm) 《 Ls (≈200nm ）

a ，增大分子。需远小于自旋弛豫长度。两流体近似。

b ，减小分母。需远小于平均自由程。弹性散射。

* 平均自由程 λ （ 10 － 30 纳米） 自旋弛豫长度 Ls （ 100 － 500 纳米）

00 )( RRRMR H

巨磁电阻（ GMR ）效

应

Fert （ 1988 ） Fe/Cr 超晶格！

Grunberg （ 1986 ）相邻磁矩反铁磁排列

MBE 优质材料反平行 --- 高电阻态 平行 --- 低电阻态

Mott 两流体模型 (1)

N.H.Mott,Proc.Roy.Soc. A153,699(1936)

近似：电子与（热激发）自旋波散射可以忽略， （无自旋翻转） 只考虑电子与磁性离子自旋间的散射。 （ s － d 散射）

约定：与磁矩同方向的电子处于主要子带（ majority ） 相反方向自旋电子处于次要子带（ minority ）

两流体模型（ 2 ）散射过程中没有自旋反转－－理想的假设 S↓ 电子 被 d ↓(minority ) 电子散射，对电导贡献小 ( d ↓ 有效质量太大 ) S↑ 电子未被 d ↑ （ majority ）电子散射，对电导贡献大 （ d ↑ 在 Fermi 面没有状态 )

结果：

电导的自旋相关因子

1

Mott 模型和 GMR 效应（ 2 ） 按 Mott 模型（看上图）1 ，电子自旋与所在层磁矩 相同时， s 电子与（ Majority ） d 电子散射弱，

电子自旋与所在层磁矩 相反时， s 电子与（ Minority ） d 电子散射强。

R

R

RR

GMR 效应的物理机制：电子平均自由程与自旋相关 λ↑ ≠ λ↓ 。

(R+ + R-)/2

结构保证条件 平均自由程 λ >> 单层膜厚 t

(R+ + R-) / 2

RAP

R-

r+

RP

并联电路中，小电阻是关键－－－短路效应

Mott 模型和 GMR 效应（ 3 ） 2 ，如果，平均自由程 （单层厚度）

磁电阻比率

其中，

1

11

RRR

4

RRR

22

2

2

2

111

1

RRRR

RRR

MR

t

1

R

R

插入纳米氧化层 (NOL)---

镜面 GMR 自旋阀（ spin-valve ）

λ↑―― 因为界面的近弹性散射（ R→ 1 ），而大大增加。λ↓―― 总是被自旋散射衰减。与界面状况无关。

得到强条件：自旋向上电子平均自由程 λ↑>> λ↓

“ 镜面反射层” 使自旋阀更像多层膜

NOL

MR 比率大幅度提高，交换偏置场不变 ( 卢正启等 2002 )

Structure ： Ta 3.5nm/NiFe 2/IrMn 6/ CoFe 1.5 / Nol1 / CoFe 2/Cu 2.2/ CoFe 1.0 ~4.0 / Nol2/Ta 3

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

-600 -400 -200 0 200 400 600

H ( Oe )

MR

( %

)

-202468

10121416

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

H ( Oe )

MR

( % )

镜面 自旋阀MR ~ 15% Hf ~5Oe Hex ~ 400OeHc1 ~4Oe

普通自旋阀MR ~8 %Hf ~ 20OeHex ~350OeHc1 ~3Oe

High Field

Low Field

模型 NOL 由不连续 is composed of discrete NOL slices and “bridge” b

etween FM and AFM layers ( as following Figure) -----Length of slice > MFP

实验 Method: Closs section HRTEM

(With Shen.F; Zhang.Z; Wang. Y.G; Cai.J.W; Lu.Z.Q)

Pinning Layer—IrMn

Spacer—Cu

Free Layer—CoFe Pinned LayerCoFe

NOL Slice

FM Bridge Model: Tiles on the floor

证据之二Potential barrier at the nano-oxide Layer

by using electron holography technology

结束

问题（ 1 ）多层膜的磁滞回线？

答： a ， M―H 关系： H 之下，体系的磁化状态 由总自由能量极小条件确定

c ， FM 排列时， 外场能＋磁晶各向异性能（几个奥）

d ，反铁磁排列时， 外场能＋磁晶各向异性能（几个奥） ＋层间反铁磁耦合能（几百奥）