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自旋電子學(xué)(磁電子學(xué)) - 磁傳感器知識(shí) - 設(shè)計(jì)資料
磁傳感器知識(shí)

自旋電子學(xué)(磁電子學(xué))

發(fā)布日期:2012年01月06日    瀏覽次數(shù):32772

  法國(guó)的Albert Fert與德國(guó)的Peter Grtinberg因在納米多層膜的磁性結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)(GMR)而榮獲2007年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),電子具有電荷與自旋2個(gè)自由度,,在傳統(tǒng)的電子學(xué)中,,僅僅是電荷被電場(chǎng)調(diào)控,,稱之為電荷為基的電子學(xué),,而GMR效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)開拓了有效地控制自旋制備新穎電子器件的基礎(chǔ),自旋電子學(xué)可定義為以自旋為基的電子學(xué),其中自旋在器件中起著核心的作用。目前,。自旋電子學(xué)效應(yīng)已呈現(xiàn)出豐富多彩的重要的技術(shù)上的應(yīng)用,,自旋電子學(xué)是十分重要的具有戰(zhàn)略意義的研究領(lǐng)域,,列入發(fā)達(dá)國(guó)家重點(diǎn)支持的計(jì)劃中。從物理學(xué)的觀點(diǎn)來看,,過去的世紀(jì)屬于“電荷”的世紀(jì),,那么未來的世紀(jì)可能屬于“自旋”的世紀(jì)。

  微電子工業(yè)的興起奠定了第三次產(chǎn)業(yè)革命的基礎(chǔ),,但目前的發(fā)展遇到功耗增大,、制造成本增加的局限,最終,,現(xiàn)存模式的微電子工業(yè)的發(fā)展將受到量子效應(yīng)的限制而壽終,,20世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)的巨磁電阻(GMR)效應(yīng),其本質(zhì)反映了電子的輸運(yùn)性質(zhì)與電子自旋的取向有關(guān),,如在輸運(yùn)過程中除利用電子的電荷屬性外,,同時(shí)利用電子自旋屬性,信息的傳輸,、運(yùn)算與存儲(chǔ)可在固體內(nèi)部有機(jī)地結(jié)合在一起,,從而有利于器件高度集成化、能耗降低,、運(yùn)算速度提高,。因此利用電子自旋屬性,發(fā)展自旋器件,,必將成為新世紀(jì)信息工業(yè)革命性的研發(fā)方向,。巨磁電阻(GMR)效應(yīng)和隧穿磁電阻效應(yīng)(TMR)讀出磁頭的應(yīng)用迅速提高了硬盤記錄密度,同時(shí),,近10年研發(fā)磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM)也成為發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)的主戰(zhàn)場(chǎng),。此外,將自旋極化的電子注入到半導(dǎo)體器件中,,形成半導(dǎo)體自旋電子學(xué)新學(xué)科,。

  2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予巨磁電阻效應(yīng)的發(fā)明者:法國(guó)的A.Fert教授與德國(guó)的P.Grtinberg教授,以表彰他們對(duì)凝聚態(tài)物理與信息技術(shù)的發(fā)展所做出的杰出貢獻(xiàn),,同時(shí)諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)指出:“巨磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)打開了一扇通向新技術(shù)世界的大門,。這里,,將同時(shí)利用電子的電荷以及自旋這兩個(gè)特性”。

  磁電阻效應(yīng)是指材料磁化狀態(tài)的變化導(dǎo)致電阻值改變的現(xiàn)象,。向異性磁電阻(AMR)效應(yīng):1856年英國(guó)W.Thomson首先在鐵磁材料中發(fā)現(xiàn)各向異性磁電阻效應(yīng)(AMR),,其值約為3%~5%;1979年IBM公司首先利用AMR效應(yīng)制備成薄膜讀出磁頭,,取代原來的感應(yīng)式磁頭,,使磁盤記錄密度提高了數(shù)10倍;1991年,,磁盤密度已達(dá)1~2Gb/in2,。

  巨磁電阻(GMR)效應(yīng):1988年Fert與Grinberg科研小組彼此獨(dú)立地在人工納米結(jié)構(gòu)中(鐵/鉻多層膜)發(fā)現(xiàn)了高達(dá)50%的磁電阻效應(yīng),比AMR效應(yīng)高十倍,,故命名為巨磁電阻(GMR)效應(yīng),,其機(jī)理不同于前者,其物理本質(zhì)反映了電子的輸運(yùn)性質(zhì)與電子自旋的取向有關(guān),,稱為自旋相關(guān)導(dǎo)電,。因此在輸運(yùn)過程中不僅可利用電子電荷特性,而且同時(shí)可利用電子自旋這一自由度,,信息的傳輸,、處理與存儲(chǔ)可在固體內(nèi)部有機(jī)地結(jié)合在一起。

  隧道磁電阻(TMR)效應(yīng):早在1975年,,Julliere就在Co/Ge/Fe磁性隧道結(jié)中觀察到了TMR效應(yīng),。近20年來,GMR效應(yīng)的研究發(fā)展非常迅速,,并且基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究幾乎齊頭并進(jìn),,已成為基礎(chǔ)研究快速轉(zhuǎn)化為商業(yè)應(yīng)用的國(guó)際典范。隨著GMR效應(yīng)研究的深入,,TMR效應(yīng)開始引起人們的重視,。磁隧道結(jié)中兩鐵磁層間不存在或基本不存在層間耦合,只需要一個(gè)很小的外磁場(chǎng)即可將其中一個(gè)鐵磁層的磁化方向反向,,從而實(shí)現(xiàn)隧穿電阻的巨大變化,,故磁隧道結(jié)具有更高的磁場(chǎng)靈敏度。同時(shí),,磁隧道結(jié)這種結(jié)構(gòu)本身電阻率很高,、能耗小、性能穩(wěn)定,。因此,,磁隧道結(jié)無論是作為讀出磁頭、各類傳感器,,還是作為磁隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM),,都具有無與倫比的優(yōu)點(diǎn),,其應(yīng)用前景十分看好。

  1988年法國(guó)發(fā)表了巨磁電阻(GMR)效應(yīng)的論文,,德國(guó)除發(fā)表相關(guān)論文外,,同時(shí)還申報(bào)了專利,美國(guó)購(gòu)買了德國(guó)的專利并將它產(chǎn)業(yè)化,。20世紀(jì)90年代后,,巨磁電阻(GMR)效應(yīng)的研究在世界范圍內(nèi)興起了繼高溫超導(dǎo)氧化物研究之后的新高潮,形成了磁電子學(xué)的新學(xué)科,。隧道磁電阻(TMR)效應(yīng)也從低溫開拓到室溫,,從而進(jìn)入到實(shí)用化。目前TMR器件已逐步取代GMR器件,,技術(shù)的更新十分迅速,,從基礎(chǔ)研究到實(shí)際應(yīng)用幾乎是相互交融與促進(jìn),。