FM层间的振荡耦合――SMOKE
丘子强等 1992 Fe/Mo/Fe
单层膜厚度 t 的限制
金属：t（≈2nm ）《 λ(≈20nm)《 Ls (≈200nm）
MR ( R0 RH ) R0
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。
D D d d 2 D d 0
D d 2 0
不等式成立
Julliere公式（3）
TMR 比率（放大的） 定义
TMR I I


I
分子 ＝ D1 D1 D2 D2



分母 ＝ D1 D2 D1 D2


J e N1 N 2
重要物理结论： 隧穿电流 ≈ 指数衰减部分×状态函数部分
其中，指数部分＝ F（势垒宽、高度，...） 状态部分＝ F（两个电极的性质,...）
几种隧穿现象的差别
不同的“两电极性质”和“势垒、宽、高度” (物理含义!) 名称 1 隧道效应 2 隧道磁电阻效应 3 扫描隧道显微镜STM 4 自旋极化STM 5 ......... 势垒 绝缘体 绝缘体 真 空 真 空 电极 简单金属－I －简单金属 铁磁金属－I －铁磁金属 简单金属－V－待测样品 铁磁金属－V－待测样品
自旋电子学及其相关领域前 沿科学研究
主讲人：许小红

一、巨磁电阻效应（GMR）


二、隧道磁电阻效应（TMR）
三、稀磁半导体（DMS）

一、巨磁电阻效应（GMR）
2007 Nobel 物理奖—巨磁阻效应
Peter Gruenberg 彼得· 格林贝格尔
Albert Fert 阿尔贝· 费尔
巨磁电阻（GMR）效应
上左图 FM电极的磁矩彼此“平行”
I exp A U 0 D1 D2 D1 D2



（注意：数值大小是 D D d d
上右图 FM电极的磁矩彼此“反平行”
）
I exp A U 0 D1 D2 D1 D2


Buffer TMR 磁性隧道结
隧道磁电阻
GMR
TMR
隧道磁电阻
隧道磁电阻效应
Free ferromagnetic layer
N N
S S
Barrier
Resistance
Rap
S N
N S
Pinned ferromagnetic layer
Rp
N N
S S
0
TMR ratio＝
Rap- Rp Rp
M(H) magnetization
M/MS
Spin-Valve (SV)
AFM
HEB
AFM
H
AFM
R/R
R(H) magnetoresistance
AFM
AFM
AFM
0 HEB
Spin valve (SV) – M(H) & R(H)
FeMn/Ni80Fe20/Cu/Ni80Fe20
R+ R
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 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)
S↓ 电子 被d ↓(minority )电子散射，对电导贡献小 ( d ↓有效质量太大) 结果：

低温电阻率（Spin－flip 散射 0）

Mott模型和GMR效应（1） 按Mott模型（看上图） 1，电子自旋与所在层磁矩 相同时， R s电子与（Majority）d 电子散射弱，
电子自旋与所在层磁矩 相反时， R s电子与（Minority）d 电子散射强。
Julliere公式（5）
“保守的”Julliere的公式
TMR I I I
TMR 2P P2 1 P P2 1 1
例子，如果，以Fe和Co 作为电极，
p1 Fe 0.44, P2 Co 0.34
Magnetic field x100 (%)
Rp ： Resistance in parallel magnetization configuration Rap ： Resistance in antiparallel magnetization configuration
自旋相关散射(磁电阻效应)




Lspacer [layer]
TMR大于2000 ％ ！！！
隧穿现象
“M－I－M” 振荡波和衰减波 电子的穿透率
T J tran J in Vt t
2
Vi i
2
用 WBK 方法计算波函数
结果：
计算穿透率 T
自由电子平面波情况
x2 T exp 2 h 2mV E dx exp 2 I x1

隧道磁电阻
TMR与GMR之比较

隧穿磁电阻（TMR）同金属多层膜以及自旋阀(spin valve)的巨磁电 阻(GMR)效应有相似的应用，但它比自旋阀具有更高的磁电阻比值 及相似的翻转磁场，因而可以有更大的灵敏度，且有内阻高、功耗
低、输出电压高等特点。

TMR和GMR都可以在室温使用！！！


（注意：数值大小是 D d d D
）
Julliere公式（2）
比较“不同自旋态”隧穿电流的大小 ?
问： I >
I ？
这就是TMR效应
证明：（两个数自乘之和必大于互乘的2倍） 假设 就有 当然
D D d d D d D d 2 D d
1
电导的自旋相关因子
两流体模型（3）
α测量值：Co和Ni大；Fe较小；Cu为零 I.A.Cammpbell and A.Fert (1982)
Mott两流体模型(4)
计入Spin－flip 散射（热自旋波散射）， 高温电阻率
[ ] 4


Julliere公式（4）
TMR的公式（用自旋极化率 表示） 第一个电极 p1 D1 D1 D1 D1 第二个电极
p2 D2 D2 D2 D2
简单代数运算，就得到 Julliere的公式，
TMR 2P P2 1 P P2 1 1
R/Ro
Sy-antiferromagnetic Spin valve
Pseudo-Spin valve (non-coupled)
Magnetic field, H
隧道磁电阻
最新进展－量子振荡 TMR

FM I
EF
NM FM

TMR
kF k
Lspacer
cp

Clean Disordered
隧穿电流 Simmons 公式！（1963）
应该计入 Fermi－Dirac 统计
Ef 2 4m 2 h 3 T Vr 2m dEx f 0 E r E x dEr N1 0 0
(1) → (2) 电子
(2) → (1) 电子


隧穿电流
Ef 2 2 3 4m h T Vr 2m dEx f 0 Er E x eV dEr N2 0 0
NiFe2.8nm/Co2.1nm/Cu2nm/Co3nm
8 M1 M2 M1 M2
1,5
7
1,0 0,5
6
M [T]
R/R [%]
5
0,0 -0,5 -1,0
4
3
2
M1 M2
M1 M2
1
-1,5
0 -15 -10 -5 0 5 10 15
-10
0
10
Field [kA/m]
Field [kA/m]
隧穿磁电阻 (TMR) 效应
“FM－I－ FM” 结 发现
M Julliere （1975）； 再发现 T Miyazaki （1995） Moodera （1995）
TMR实验结果
韩秀峰等 （2000）
隧道磁电阻
隧道磁电阻效应的物理机制
Julliere公式（1）
隧穿电流 （近似!）I ∝ 指数衰减部分×状态密度部分
FM(Ni-Fe) (Al-O)
S1
S2
NM(Cu(001))
FM(Co(001))
上下自旋平行时电子容易通过--低电阻态 上下自旋反平行时电子被散射—高电阻态
隧道磁电阻
伪自旋阀
Capping layer
Free layer Tunnel barrier Reference layer Spacer layer Pinned layer Pinning layer Seed layer Underlayer Ta CoFe CoFe IrMn, PtMn NiFe, NiFeCr Ta
-0,8
0,0
0,5
-30
-20
-10
0
10
Field [kA/m]
上下自旋平行时电子 容易通过--低电阻态
上下自旋反平行时电 子被散射—高电阻态

二、隧道磁电阻效应（TMR）
隧道磁电阻
（二）隧道磁电阻（TMR）的发现与 新进展

1975 年在铁磁/半导体/铁磁三层膜中的磁隧穿测量， 是在低温4.2 k 进行 平行和反平行磁化状态对应的电导 相对差别为14％，这就是最早的隧穿磁电阻（TMR） 效应。 静止20 年后，1995 年日本科学家宫崎照宣报道了电导 的相对变化在室温下达到18％，同年美国MIT 研究组 也报道了类似结果，这是GRM 效应之后最重大的进展。 于是，在世界范围掀起了自旋电子学研究和开发的第 二个高潮。