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中国科学院物理研究所成立 21 周年
自旋电子学材料、 物理和器件设计原理的研究进展
韩秀峰 4
（ 中国科学院物理研究所 磁学国家重点实验室- 北京- 511561 ）
摘- 要- - 文章介绍了作者所在实验室在巨磁电阻 （ 789） 、 隧穿磁电阻 （ :89） 、 庞磁电阻 （ ;89 ） 和反铁磁钉扎薄膜 材料以及单晶金属氧化物、 高自旋极化率材料、 <=> 异质结和纳米环磁随机存储器原理型演示器件设计等研究方面取 得的一些重要研究成果和进展& 例如： 在 ?(=@ 势垒磁性隧道结材料体系里， 获得室温磁电阻超过 21A 的国际最好结 果； 获得两种高性能层状反铁磁钉扎材料体系； 发现具有大的电致电阻效应的 ;89 薄膜材料， 并可期望用于电流直 接进行磁信息写和读操作的磁存储介质； 发现双势垒磁性隧道结中的量子阱态共振隧穿和磁电阻振荡效应， 以及纳 米器件体系中自旋翻转长度的观测新方法， 可用于新型自旋电子学材料及相关器件的人工辅助设计； 利用电子自旋 共振谱探测和研究了金属氧化物的微观自旋结构和各向异性； 在 ［ ;BCD E <" ］ 观测到超高灵敏度 ! 磁性金属多层膜中， 的反常霍尔效应； 利用纳米环状磁性隧道结作为存储单元， 研制出一种新型纳米环磁随机存储器 89?8 原理型演示 器件& 关键词- - 自旋电子学， 巨磁电阻， 隧穿磁电阻， 庞磁电阻， 磁随机存储器， 自旋转移力矩， 电子自旋共振
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研究， 加速研发和生产相关重要产品- KO5 等公司在 $%%B 年已 做 到 了 7’ 580) 56C5 演 示 器 件， 美国 5P)PLP/1 和 ML>>Q21/> 公司在 $%%’ 年已推出了 B 580) 美国 R>1S,1T 和 56C5 标准器件产品并进入市场， 51?KU 公司生产的 B 580) 56C5 标准器件产品预计 $%%& 年将进入市场- 高密度和高容量 56C5 芯片的 实现， 以其低功耗、 断电下信息不丢失、 抗辐射、 高速 度、 高稳定、 使用寿命长等优点， 将会使计算机科学 和信息产业以及人们日常生活中使用的众多电器产 品进入一个新的智能化时代因此， 研究和发展自旋电子学材料、 物理及其自 旋相关器件， 探索和研究新的人工磁电阻结构和功 能材料及其器件应用， 不仅是过去 $% 年也是当前和 今后一个相当长时期的国际研究热点和重要领域之 一- 新型和高性能的自旋电子学人工合成材料及其 新的物理效应的进一步发现， 能给自旋电子学材料 及其自旋相关器件的研制， 提供新的生长点， 注入新 的发展动力- 正是在这样一个国内外热点研究持续 发展的环境下， 在国家自然科学基金委基金项目、 国 家科技部 <#" 《 自旋电子学材料、 物理和器件研究》 项目、 中国科学院 “ 知识创新工程” 等相关项目的支 持下， 中国科学院物理研究所磁学国家重点实验室 有关研究人员， 在巨磁电阻 （ 456 ） 材料、 隧穿磁电 阻（ @56） 材料、 钙钛矿锰氧化物庞磁电阻（ U56 ） 薄膜材料、 高自旋极化率材料和半金属 R.Q/>L 合金 及其单晶材料的制备和功能特性等研究方面， 开展 了深入系统的研究工作， 取得了丰硕的研究成果， 通 过十几年的努力和积累， 目前建立了以自旋电子学 材料的制备、 微结构和磁结构表征、 自旋相关输运性 质研究、 原理型器件设计为主要发展方向的研究基 地和实验平台过去 二 十 年 来， 作 者 所 在 实 验 室 在 以 456、 @56、 U56 等材料体系为发展主线的自旋电子学研 究领域， 取得了一系列有代表性的研究成果和显著 进展， 受到国内外同行的高度关注和积极评价， 促进 了国内外有关自旋电子学材料、 物理和器件设计原 理的研究工作的开展- 文章仅以本实验室最近五年 获得的一些有代表性的最新研究进展为例， 达到抛 砖引玉的目的-
0112 _ 1U _ 0U 收到 4\Q*)(： [O!*,‘ *#!I& )#!I& *+& +,
，这些具有里程碑意义的人工合成磁性材料
・ :98・ຫໍສະໝຸດ !""#： $$%%%& %’()& *+& +,- - - - - - - - - - - - - - - - - - 物理・./ 卷（ 0112 年） 3期
中国科学院物理研究所成立 &% 周年 化电子输运相关的磁电阻材料和新型自旋电子学器 件的研制和应用例如， 巨磁电阻 （ 456） 是自旋电子学成功应用 的范例之一， 它从物理发现到材料制备， 直至最后器 件大规模产业化仅用了不到 7% 年的时间- 计算机硬 盘在 456 读出头的推动下， 其磁记录密度已从过 去 ’% 580) 9 032( 发展到目前 : "%% 480) 9 032(（ 74 ; 7% ， 美国 =>1?1)> @>2(- 公司公布的数据） ， 提高了近 A%%% 倍- $%%$ 年， 它仅在硬盘驱动器方面创造的收 入就突破 B%% 亿美元- 基于非晶 C/$ D" 势垒材料的 磁性隧道结 （ 5@E ） 和隧穿磁电阻效应 （ @56 ） 是自 旋电子学的另一个成功应用的范例之一， 它从物理 发现 （ 7<<A 年发现 $%F 的室温隧穿磁电阻效应） 到 材料制备和 $%%A 年 @56 磁读出头器件大规模生产 化 （ G $#% 480) 9 032( ） 也 仅 用 了 不 到 7% 年 时 间$%%# 年美国西部数据公司 （ HI ）采用基于单晶 5? （ %%7 ） 势垒的磁性隧道结材料和 @56 读出头技术 结合垂直磁记录介质， 实现了 A$% 480) 9 032( 磁硬盘 面记录密度的演示从 7<<# 年至今， 基于以上 456 和 @56 效应的 磁读出头产品及其硬磁盘已经被广泛地应用到网络 服务器和台式计算机、 手提电脑、 数字照相机以及 5J" 、 5JB 等音乐播放器中， 显著促进了计算机和信 息技术的进步， 充分体现了基础科学研究对丰富人 类文化生活的作用- 自从 7<<# 年以来， 已经有 A% 亿 只 456 磁读出头被生产和投放市场， 而且至今仍 然被广泛使用； 自从 $%%B 年开始， 大约每年生产 B 亿个隧穿磁电阻 （ @56 ） 磁读出头， 并不断地被投入 市场， 进入最终用户， 正在产生巨大的科技和社会经 济效益- 磁性金属材料的基础物理研究及其器件应 用， 已经为磁硬盘工业以及信息技术 （ K@ ） 的发展带 来了革命性的技术更新- 正因为如此， $%%# 年诺贝 尔物理学奖授予了巨磁电阻 456 的发现者 C/8>L) M>L) 和 J>)>L 4LN38>L?， 以表彰他们为当代凝聚态物 理和信息科学技术发展所做出的杰出贡献- 可以说， 分别于 7<&& 年和 7<<A 年发现的 456 和 @56 新材 料， 导致计算机信息存储技术在 $7 世纪进入了一个 456 和 @56 时代目前， 基于 456 和 @56 磁电阻材料的各种磁 敏传感器， 成为国际上众多公司大力开发和研制的 高新技术产品目标， 特别是为发展基于磁性隧道结 材料和 @56 效应的 $A’ 580) 以上的实用型磁随机 存储器 （ 56C5 芯片） ， 美国、 日本等发达国家竞相 巨额投资， 全面开展了相关的材料、 物理和器件应用
- - 自从 5622 年在磁性多层膜中发现了巨磁电阻 效应 （ 789） ， 566. 和 566] 在钙钛矿锰氧化物 （ <5 _ = > = 8,@. ， < 为稀土元素， > 为二价碱土金属） 中发现 了庞磁电阻效应 （ ;89 ） ， 特别是 566U 年在铁磁性 隧道结材料中发现了室温高隧穿磁电阻效应 （ :89 ）以 及 后 续 形 成 的 稀 磁 半 导 体 等 研 究 热 潮
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