Chapter06_42540930

Chapter06_42540930 - 1 1994DARPA 2 1 3 GMRTMR SpinFET 4 2...

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1 1 第六章 自旋电子学 2 自旋电子学 自旋电子学 又叫自旋输运电子学,于 1994 年在美国 DARPA 的一个研究计划中 被首先提出,现在已成为一门颇受关注的 新兴学科。 任何运动的带电粒子,除了具有空间 六维(实空间三维、动量空间三维)自由 度外,还存在自旋(向上和向下)两维自 由度。
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2 3 存在磁场条件下,对应的二个不同自 旋方向(相对于磁场方向)的能级会分 裂,导致两种自旋的电子运动产生差异。 从而,可以通过磁场和电场的共同作用 来控制电子的运动。 用此机理构造新器件,可以实现信息 的存储、处理等功能。 4 自旋电子学 z 第一节 巨磁阻 ⎯⎯ GMR TMR z 第二节 自旋极化电子流的注入 z 第三节 自旋场效应晶体管( SpinFET
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3 5 一个铁磁材料,在未磁化前,其中传导 电子的自旋是非极化的,不同方向的自旋几 率相等,所以对于自旋向上和向下(电子自 旋的磁矩方向与磁化方向一致为向上,反方 向为向下)的电子其态密度分布是一致的。 当铁磁体极化后,两种自旋电子的能量 分裂(塞曼效应),使两种不同自旋的电子 态密度分布改变,如图 16(a) 所示。这使处 于费米能级的金属传导电子的自旋产生极化。 第一节 巨磁阻 ⎯⎯ GMR TMR 6 如果两个铁磁体 的极化方向相同, 则如图 16(a) (b) 示,两者传导电子 的自旋极化方向相 同。 反之,则传导电 子的自旋极化方向 也相反,如图 16(c) 所示。 16 铁磁材料中不同自旋的电子的态密度分布 (a) (b) (c) 磁化方向向上, (c) 方向向下 M M
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4 7 基于上述基本原理, 构筑如图 17(a) 所示的 薄膜结构,在这一结构 上,可以测量两种模式 的电阻,一是在结构上 下做二个接出电极,测 垂直膜平面方向的电流 CPP ),另一为在结 构两侧做电极测平行于 膜平面的电流( CIP )。 17(a) 8 17(b) (c) 分别是该二种器件的工作 机理:图 (b) 是第一种情况;图 (c) 是第 二种情形。 (c)
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5 9 对于 CPP :在底铁磁层磁化方向与上 硬(永)磁层磁化方向一致时,由于上下 两层的传导电子的自旋方向都是向下的, 通过三层间的二个界面不会遇到很大散 射,所以电阻较小。 反之如二个磁化方向相反,底层传导 电子的自旋与顶层的恰好相反,欲顺利通 过底层界面需要自旋反向,因此会受到较 大界面散射,使结构出现较大的电阻。 10 CIP :当电子自旋方向一致时,界 面散射很小,三层电传导尤如一个整体, 电阻较小,而当底层与上层磁化方向相反 时,传导电子受到强烈弹性散射,使膜结 构电阻大大增高,从而出现不同磁化磁场 下的电阻差。
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6 11 令饱和磁化磁场下(正、反两个方向)的电阻差 Δ R
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This note was uploaded on 03/28/2011 for the course EE 40260112 taught by Professor Tianlingren during the Fall '10 term at Tsinghua University.

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