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自旋电子学(磁电子学)

发布日期:2012年01月10日    浏览次数:6737

  法国的Albert Fert与德国的Peter Grtinberg因在纳米多层膜的磁性结构中发现巨磁电阻效应(GMR)而荣获2007年度的诺贝尔物理学奖,电子具有电荷与自旋2个自由度,在传统的电子学中,仅仅是电荷被电场调控,称之为电荷为基的电子学,而GMR效应的发现开拓了有效地控制自旋制备新颖电子器件的基础,自旋电子学可定义为以自旋为基的电子学,其中自旋在器件中起着核心的作用。目前。自旋电子学效应已呈现出丰富多彩的重要的技术上的应用,自旋电子学是十分重要的具有战略意义的研究领域,列入发达国家重点支持的计划中。从物理学的观点来看,过去的世纪属于“电荷”的世纪,那么未来的世纪可能属于“自旋”的世纪。

  微电子工业的兴起奠定了第三次产业革命的基础,但目前的发展遇到功耗增大、制造成本增加的局限,最终,现存模式的微电子工业的发展将受到量子效应的限制而寿终,20世纪80年代发现的巨磁电阻(GMR)效应,其本质反映了电子的输运性质与电子自旋的取向有关,如在输运过程中除利用电子的电荷属性外,同时利用电子自旋属性,信息的传输、运算与存储可在固体内部有机地结合在一起,从而有利于器件高度集成化、能耗降低、运算速度提高。因此利用电子自旋属性,发展自旋器件,必将成为新世纪信息工业革命性的研发方向。巨磁电阻(GMR)效应和隧穿磁电阻效应(TMR)读出磁头的应用迅速提高了硬盘记录密度,同时,近10年研发磁性随机存储器(MRAM)也成为发达国家竞争的主战场。此外,将自旋极化的电子注入到半导体器件中,形成半导体自旋电子学新学科。

  2007年诺贝尔物理学奖授予巨磁电阻效应的发明者:法国的A.Fert教授与德国的P.Grtinberg教授,以表彰他们对凝聚态物理与信息技术的发展所做出的杰出贡献,同时诺贝尔奖评选委员会指出:“巨磁电阻效应的发现打开了一扇通向新技术世界的大门。这里,将同时利用电子的电荷以及自旋这两个特性”。

  磁电阻效应是指材料磁化状态的变化导致电阻值改变的现象。向异性磁电阻(AMR)效应:1856年英国W.Thomson首先在铁磁材料中发现各向异性磁电阻效应(AMR),其值约为3%~5%;1979年IBM公司首先利用AMR效应制备成薄膜读出磁头,取代原来的感应式磁头,使磁盘记录密度提高了数10倍;1991年,磁盘密度已达1~2Gb/in2

  巨磁电阻(GMR)效应:1988年Fert与Grinberg科研小组彼此独立地在人工纳米结构中(铁/铬多层膜)发现了高达50%的磁电阻效应,比AMR效应高十倍,故命名为巨磁电阻(GMR)效应,其机理不同于前者,其物理本质反映了电子的输运性质与电子自旋的取向有关,称为自旋相关导电。因此在输运过程中不仅可利用电子电荷特性,而且同时可利用电子自旋这一自由度,信息的传输、处理与存储可在固体内部有机地结合在一起。

  隧道磁电阻(TMR)效应:早在1975年,Julliere就在Co/Ge/Fe磁性隧道结中观察到了TMR效应。近20年来,GMR效应的研究发展非常迅速,并且基础研究和应用研究几乎齐头并进,已成为基础研究快速转化为商业应用的国际典范。随着GMR效应研究的深入,TMR效应开始引起人们的重视。磁隧道结中两铁磁层间不存在或基本不存在层间耦合,只需要一个很小的外磁场即可将其中一个铁磁层的磁化方向反向,从而实现隧穿电阻的巨大变化,故磁隧道结具有更高的磁场灵敏度。同时,磁隧道结这种结构本身电阻率很高、能耗小、性能稳定。因此,磁隧道结无论是作为读出磁头、各类传感器,还是作为磁随机存储器(MRAM),都具有无与伦比的优点,其应用前景十分看好。

  1988年法国发表了巨磁电阻(GMR)效应的论文,德国除发表相关论文外,同时还申报了专利,美国购买了德国的专利并将它产业化。20世纪90年代后,巨磁电阻(GMR)效应的研究在世界范围内兴起了继高温超导氧化物研究之后的新高潮,形成了磁电子学的新学科。隧道磁电阻(TMR)效应也从低温开拓到室温,从而进入到实用化。目前TMR器件已逐步取代GMR器件,技术的更新十分迅速,从基础研究到实际应用几乎是相互交融与促进。


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