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自旋電子學(磁電子學)

發布日期:2012年01月10日    瀏覽次數:11670

  法國的Albert Fert與德國的Peter Grtinberg因在納米多層膜的磁性結構中發現巨磁電阻效應(GMR)而榮獲2007年度的諾貝爾物理學獎,電子具有電荷與自旋2個自由度,在傳統的電子學中,僅僅是電荷被電場調控,稱之為電荷為基的電子學,而GMR效應的發現開拓了有效地控制自旋制備新穎電子器件的基礎,自旋電子學可定義為以自旋為基的電子學,其中自旋在器件中起著核心的作用。目前。自旋電子學效應已呈現出豐富多彩的重要的技術上的應用,自旋電子學是十分重要的具有戰略意義的研究領域,列入發達國家重點支持的計劃中。從物理學的觀點來看,過去的世紀屬于“電荷”的世紀,那么未來的世紀可能屬于“自旋”的世紀。

  微電子工業的興起奠定了第三次產業革命的基礎,但目前的發展遇到功耗增大、制造成本增加的局限,最終,現存模式的微電子工業的發展將受到量子效應的限制而壽終,20世紀80年代發現的巨磁電阻(GMR)效應,其本質反映了電子的輸運性質與電子自旋的取向有關,如在輸運過程中除利用電子的電荷屬性外,同時利用電子自旋屬性,信息的傳輸、運算與存儲可在固體內部有機地結合在一起,從而有利于器件高度集成化、能耗降低、運算速度提高。因此利用電子自旋屬性,發展自旋器件,必將成為新世紀信息工業革命性的研發方向。巨磁電阻(GMR)效應和隧穿磁電阻效應(TMR)讀出磁頭的應用迅速提高了硬盤記錄密度,同時,近10年研發磁性隨機存儲器(MRAM)也成為發達國家競爭的主戰場。此外,將自旋極化的電子注入到半導體器件中,形成半導體自旋電子學新學科。

  2007年諾貝爾物理學獎授予巨磁電阻效應的發明者:法國的A.Fert教授與德國的P.Grtinberg教授,以表彰他們對凝聚態物理與信息技術的發展所做出的杰出貢獻,同時諾貝爾獎評選委員會指出:“巨磁電阻效應的發現打開了一扇通向新技術世界的大門。這里,將同時利用電子的電荷以及自旋這兩個特性”。

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

  巨磁電阻(GMR)效應:1988年Fert與Grinberg科研小組彼此獨立地在人工納米結構中(鐵/鉻多層膜)發現了高達50%的磁電阻效應,比AMR效應高十倍,故命名為巨磁電阻(GMR)效應,其機理不同于前者,其物理本質反映了電子的輸運性質與電子自旋的取向有關,稱為自旋相關導電。因此在輸運過程中不僅可利用電子電荷特性,而且同時可利用電子自旋這一自由度,信息的傳輸、處理與存儲可在固體內部有機地結合在一起。

  隧道磁電阻(TMR)效應:早在1975年,Julliere就在Co/Ge/Fe磁性隧道結中觀察到了TMR效應。近20年來,GMR效應的研究發展非常迅速,并且基礎研究和應用研究幾乎齊頭并進,已成為基礎研究快速轉化為商業應用的國際典范。隨著GMR效應研究的深入,TMR效應開始引起人們的重視。磁隧道結中兩鐵磁層間不存在或基本不存在層間耦合,只需要一個很小的外磁場即可將其中一個鐵磁層的磁化方向反向,從而實現隧穿電阻的巨大變化,故磁隧道結具有更高的磁場靈敏度。同時,磁隧道結這種結構本身電阻率很高、能耗小、性能穩定。因此,磁隧道結無論是作為讀出磁頭、各類傳感器,還是作為磁隨機存儲器(MRAM),都具有無與倫比的優點,其應用前景十分看好。

  1988年法國發表了巨磁電阻(GMR)效應的論文,德國除發表相關論文外,同時還申報了專利,美國購買了德國的專利并將它產業化。20世紀90年代后,巨磁電阻(GMR)效應的研究在世界范圍內興起了繼高溫超導氧化物研究之后的新高潮,形成了磁電子學的新學科。隧道磁電阻(TMR)效應也從低溫開拓到室溫,從而進入到實用化。目前TMR器件已逐步取代GMR器件,技術的更新十分迅速,從基礎研究到實際應用幾乎是相互交融與促進。


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