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自旋电子学导论 Introduction of spintronics 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 ……………………………………………………2 1.1 正常磁电阻效应 …………………………………………………2 1.2 铁磁金属的磁电阻效应 ………………………………………… 3 1.3 磁性金属多层膜的巨磁电阻效应 ………………………………4 1.4 颗粒膜，间断膜以及纳米固体的 GMR 效应 ……………… 8 1.5 自旋极化及隧道巨磁电阻效应（TMR）…………………………9 1.6 其他磁阻效应体系 ………………………………………………10 §2 样品制备 ………………………………………………………12 2.1 多晶陶瓷 …………………………………………………………12 2.2 单晶 ………………………………………………………………13 2.3 薄膜 ………………………………………………………………14 §3 钙钛矿锰氧化物的物理性质………………………………16 3.1 庞磁电阻（CMR）效应 …………………………………………16 3.2 晶体结构 …………………………………………………………19 3.3 电子结构和双交换作用 …………………………………………22 3.4 磁结构 ……………………………………………………………24 3.5 磁输运行为 ………………………………………………………27 3.6 各种掺杂效应及电－磁－结构相图 ……………………………33 3.7 电荷有序，轨道有序，自旋序 …………………………………45 I

3.8 相分离 ……………………………………………………………50 3.9 层状锰氧化物性质 ………………………………………………54 3.10 锰氧化物理论研究 ……………………………………………59 §4 钴氧化物的磁性和输运性质 ……………………………67 4.1 钴氧化物 CMR 效应的发现 ……………………………………67 4.2 晶体结构 …………………………………………………………68 4.3 电子结构与自旋态 ………………………………………………68 4.3 磁性和输运行为 …………………………………………………70 §5 应用与技术 …………………………………………………74 §6 小结 …………………………………………………………76 参考文献 ……………………………………………………………76 II

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Δ ρ∥=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 一般是相当小的。一般来说，OMR 的特点是：（1） MR = ρ 0 ) ( H ρ − ρ 0 > 0。（2）各向异性，但 Tρ > ρ∥>0。（3）磁场不高时，MR～H2。（4）不饱和性。金属 Bi 有较高的 OMR。Bi 薄膜在 1.2 Tesla 下，MR～7—22%[5]，Bi 单晶在低温下可达 102—103%[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 InSb-NiSb 共晶材料，当 B=0.3 Tesla 时，室温 MR～200%[7]。在居里点以下的铁磁金属中，具有与自发磁化强度 Ms 相应的内场μ0Ms。例如 Fe 的内场高达 2.1 Tesla，故铁磁金属的零外场电阻率中已包括了内场引起的 OMR。 2

1.2 铁磁金属的磁电阻效应[1，2] 在铁磁性金属（如 Fe，Co）以及合金（如 FeNi 合金）当中也可以观察到明显的磁阻效应，如图 1－1（a）所示。但一般Δρ∥总是正的，而ΔρT 总是负的，多数材料ρT<ρ∥，这正好与 OMR 相反，而且在适当大的磁场下它们都将趋向饱和。因此铁磁金属电阻率各向异性的主要机制不是 Ms 的内场μ0Ms 引起的 OMR 所致。实际上铁磁金属总磁电阻的来源有二，即磁场直接引起的 OMR 及磁场使磁化状态变化引起的磁电阻。磁化可分为技术磁化及顺行过程。相应地有各向异性磁电阻和顺行磁电阻。故原则上, MR=AMR+PMR+OMR。其中各向异性磁电阻 AMR 与技术磁化相应，即与从退磁状态到趋于磁性饱和的过程相应的电阻变化，磁电阻有Δρ∥=ρ∥-ρ(0)及ΔρT=ρT-ρ（0），若退磁状态下磁畴为各向同性分布，略去畴壁散射的变化对磁电阻的少量贡献，则ρ(0)为其平均值ρav=(ρ∥+2ρT) /3，则 AMR 常定义为 AMR = ρρ T // − ρ 0 = Δ ρ // ρ 0 − Δ ρ T ρ 0 。顺行磁电阻 PMR 对应于外加磁场使畴中的磁化强度超过 Ms 的过程，称为顺行过程； M>Ms 的情况使电阻率比自发磁化状态下的数值更低，故 PMR<0。 AMR 效应强烈地依赖自发磁化的方向，它是由于铁磁性磁畴在外磁场下各项异性运动所造成的[8]。对 Fe 和 Co，在 5 K 温度下，AMR 约为 1％，坡莫合金约为 15％。坡莫合金的饱和场特别小约 10 Oe，室温下 AMR＝2％，因此在应用上比较有利[9]。图 1－1 （a）铁磁合金中的 AMR 效应示意图。(b)金属多层膜 GMR 示意图。[1] 3

1.3 磁性金属多层膜的巨磁电阻效应（GMR）[2，10] 八十年代，由于摆脱了以往难以制作高质量的纳米尺度样品的限制，金属超晶格成为人们十分感兴趣的研究前沿。研究者们对这类人工材料的制备以及磁有序，层间耦合，电子输运，量子限域等性质进行了广泛的研究。 1986 年 Grunberg 等人发现在“Fe/Cr/Fe”三明治结构中，Fe 层之间可以通过 Cr 层进行交换作用，当 Cr 层在合适的厚度时，两 Fe 层之间存在反铁磁耦合 [11]。在此基础上，1988 年 Baibich 等人研究了在（001）GaAs 基片上用分子束外延（MBE）生长的单晶（001）Fe/Cr/Fe 三层膜和（Fe/Cr）超晶格的电子输运性质 [12]。结果发现当 Cr 层的厚度为 9 Å 时，在 4.2 K 下 20 kOe 的外磁场可以图 1－2 Fe/Cr 多层膜在 T＝4.2 K 时的磁电阻磁场关系。测量电流和磁场方向都沿着层面（110）轴。[12] 克服反铁磁层间耦合而使相邻 Fe 层磁矩方向平行排列，而此时电流方向平行于 4

膜面的电阻率下降至不加外磁场（即相邻 Fe 层磁化矢量反平行排列）时的一半，磁电阻值 MR（%）=Δρ/ρHs=(ρ0-ρHs)/ ρHs 高达 100%，其值较人们所熟知的 FeNi 合金各向异性磁电阻效应约大一个量级，故命名为巨磁电阻效应（GMR），如图 1－2 所示。更新的结果表明（Fe/Cr）超晶格的磁电阻效应在低温 1.5K 甚至还可以更高至 220% [13]。GMR 是否是单晶（Fe/Cr）超晶格所独具的特性？此后不久 Parkin 等人发现用较简单的溅射方法制备的多晶 Fe/Cr/Fe 三层膜和（Fe/Cr）多层膜同样有巨磁电阻效应 [14，15]，其中后者在室温和低温 4.2K 的 GMR 值分别为 25%和 110%。在随后的几年中，以 Parkin 为杰出代表的世界各国物理学工作者发现在各种铁磁层（Fe，Ni，Co 及其合金）和非磁层（包括 3d、4d 以及 5d 非磁金属）交替生长而构成的磁性多层膜中，许多都具有巨磁电阻效应[16 －19]，其中尤以多晶（Co/Cu）多层膜的磁电阻效应最为突出，在低温 4.2K 和室温时的 GMR 值分别为 130%和 70%，所加饱和磁场约为 10kOe [20，21]。（Co/Cu）多层膜室温的 GMR 远大于多晶（Fe/Cr）多层膜的值，也大于大多数由铁磁合金和非磁元素组成的多层膜的值，仅在一定 Fe 含量的（CoFe/Cu）多层膜中，其磁电阻值比（Co/Cu）多层膜的有所增加 [22]。不同于各向异性磁电阻效应，磁性金属多层膜的巨磁电阻效应与磁场的方向无关，是各向同性的(但事实上由于退磁因子的不同，通常ρ∥和ρT 稍有差别，典型的结果如图 1－1（b）示意)，它仅依赖于相邻铁磁层的磁矩的相对取向，而外磁场的作用不过是改变相邻铁磁层的磁矩的相对取向，这说明电子的输运与电子的自旋散射有关。我们知道，在与自旋相关的 s-d 散射中，当电子的自旋与铁磁金属的自旋向上的 3d 子带（即多数自旋）平行时，其平均自由程长，相应的电阻率低；而当电子的自旋与铁磁金属的自旋向下的 3d 子带平行（即反平行于多数自旋）时，其平均自由程短，相应的电阻率高。因此基于双电流模型可以对多层膜巨磁电阻效应的作简单的定性解释。图 1－3 给出了磁性多层膜 GMR 效应的简明图象：在零场下，相邻铁磁层的磁距反铁磁耦合，在一个铁磁层中受散射较弱的电子（即其自旋方向平行于多数自旋子带电子的自旋方向）进入另一铁磁层中必定遭受较强的散射（在这一层其自旋方向与少数自旋子带电子的自旋方向平行），故从整体上说，所有电子都遭受较强的散射；外加磁场时，使相邻铁磁层的磁矩趋于平行，自旋向上的电子在所有铁磁层中均受到较弱的散射，相当于自旋向上的电子构成了短路状态，因此电阻较小。 5

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