自旋电子学导论

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1、自旋电子学导论Introductionofspintronics张裕恒童伟国家强磁场科学中心中国科学技术大学§1磁电阻效应……………………………………………………21.1正常磁电阻效应…………………………………………………21.2铁磁金属的磁电阻效应…………………………………………31.3磁性金属多层膜的巨磁电阻效应………………………………41.4颗粒膜，间断膜以及纳米固体的GMR效应………………81.5自旋极化及隧道巨磁电阻效应（TMR）…………………………91.6其他磁阻效应体系………………………………………………

2、10§2样品制备………………………………………………………122.1多晶陶瓷…………………………………………………………122.2单晶………………………………………………………………132.3薄膜………………………………………………………………14§3钙钛矿锰氧化物的物理性质………………………………163.1庞磁电阻（CMR）效应…………………………………………163.2晶体结构…………………………………………………………193.3电子结构和双交换作用…………………………………………223.4磁结构…………………………

3、…………………………………243.5磁输运行为………………………………………………………273.6各种掺杂效应及电－磁－结构相图……………………………333.7电荷有序，轨道有序，自旋序…………………………………45I3.8相分离……………………………………………………………503.9层状锰氧化物性质………………………………………………543.10锰氧化物理论研究……………………………………………59§4钴氧化物的磁性和输运性质……………………………674.1钴氧化物CMR效应的发现……………………………………674.

4、2晶体结构…………………………………………………………684.3电子结构与自旋态………………………………………………684.3磁性和输运行为…………………………………………………70§5应用与技术…………………………………………………74§6小结…………………………………………………………76参考文献……………………………………………………………76II磁电阻效应的稀土钙钛矿氧化物自1993年在钙钛矿锰氧化物薄膜中发现超大巨磁电阻效应(CMR),近10年来,该体系得到了广泛而深入的研究,至今仍是凝聚态物理方向的一个重要

5、课题。这首先在于其广泛的应用背景,如信息存储领域中的磁记录,磁随机存储,以及在磁传感器,磁致冷上的应用,都非常令人瞩目。此外,这种材料体系中蕴含着丰富的物理内容,如磁相变伴随着导电性转变,双交换作用以及Jahn-Teller效应,自旋序，电荷序,轨道序，晶格效应，以及它们之间的相互耦合等等,都在该体系中充分体现出来。这种复杂性正是物理研究者们的探求兴趣所在。同样的钙钛矿氧化物，Co-基体系也表现出CMR效应。对这一体系的研究主要基于多变的Co自旋态现象。磁阻效应的发现,更激起了对该体系研究的兴趣。Co系与Mn系的不同之

6、处在于二者的电子结构和自旋配置不一样。这使得Co系的导电行为及磁性具有自己的独特之处。1§1磁电阻效应所谓磁电阻（MR），即磁致电阻，是指电阻率ρ在外加磁场H下所产生的变化；若电阻增大即为正磁阻效应，减小则为负磁阻效应。通常其变化量Δρ的大小不仅依赖于磁场的大小，也和材料中电流与磁场的方位有关，即不同的H和J的夹角，其磁阻效应是不一样的。一般存在两种磁阻效应：径向磁阻效应Δρ∥=ρ∥（H）-ρ∥（0），对应于磁场平行于电流方向；横向磁阻效应Δρ⊥=ρT（H）-ρT（0），对应于磁场垂直于电流方向。当然对于薄膜材料，还有

7、第三种位形，即H即垂直电流方向又垂直膜面，表示为Δρ⊥=ρ⊥（H）-ρ⊥（0）。[1]1.1正常磁电阻效应[2]正常磁致电阻效应（OMR）为普遍存在于所有金属（如Au，Cu等）以及半导体，合金中的磁场电阻效应[3，4]，它来源于磁场对电子的洛伦兹力。该力导致载流子运动发生偏转或螺旋运动，使得载流子受到更多的非弹性散射（来自晶格以及各种无序势），损失能动量，减小了平均自由程，从而使电阻升高。磁场对传导电子的作用不仅使纵向电阻增加，同时亦产生了一个正比于磁场的Hall电阻，即横向电阻。对于正常的非铁磁性金属，其OMR一般是

8、相当小的。一般来说，OMR的特点是：ρ()H−ρ0（1）MR=>0。ρ0（2）各向异性，但ρ>ρ∥>0。T2（3）磁场不高时，MR～H。（4）不饱和性。金属Bi有较高的OMR。Bi薄膜在1.2Tesla下，MR～7—22%[5]，Bi单晶23在低温下可达10—10%[6]。半导体也有较大OMR，并已开发成商品化的磁电阻传感器。如I