1、Ch 2， 巨磁電阻（巨磁電阻（GMR）效應(yīng)）效應(yīng)本節(jié)內(nèi)容本節(jié)內(nèi)容1，振蕩的層間耦合（，振蕩的層間耦合（1986）2，金屬量子阱中的自旋極化，金屬量子阱中的自旋極化3，GMR效應(yīng)（效應(yīng)（1988）重點(diǎn)：重點(diǎn)：Mott的兩流體模型的兩流體模型1，層間耦合，層間耦合 問題的提出？相鄰相鄰FM層間的耦合作用與中間層間的耦合作用與中間NM分隔分隔層的厚度有關(guān)？層的厚度有關(guān)？多層膜中的電子的本征狀態(tài)？多層膜中的電子的本征狀態(tài)？Grunberg (1986）布里淵散射Fe/Cr/Fe FM層間的振蕩耦合層間的振蕩耦合普適現(xiàn)象普適現(xiàn)象 Parkin的貢獻(xiàn)的貢獻(xiàn)（1990）Co/Ru， 振蕩周期 約12埃Co

2、/Cu“困擾困擾”FM層間的振蕩耦合層間的振蕩耦合直接觀察（直接觀察（SEMPA） Unguiris等等(1991)Fe 單晶/ Cr 尖劈/ Fe薄膜FM層間的振蕩耦合層間的振蕩耦合SMOKE丘子強(qiáng)等丘子強(qiáng)等1992Fe/Mo/FeFM層間的振蕩耦合層間的振蕩耦合VSM閻明朗等閻明朗等1994， NiFe/Mo/NiFe 2，多層膜中，電子的狀態(tài)多層膜中，電子的狀態(tài) 真空中的金屬薄膜行波平行方向 電子連續(xù)譜連續(xù)譜 E（k/ ）=k/ 2駐波垂直方向 電子分立譜分立譜 E (k) 波函數(shù)是由包絡(luò)函數(shù)調(diào)制的快振蕩的 Bloch函數(shù)Bloch函數(shù) 的波長(zhǎng) 2a （a 晶格常數(shù)）包絡(luò)函數(shù)波長(zhǎng)由薄膜厚

3、度決定包絡(luò)函數(shù)波長(zhǎng)由薄膜厚度決定。（厚度是半波長(zhǎng)整數(shù)倍）（厚度是半波長(zhǎng)整數(shù)倍）薄膜上的量子阱態(tài)薄膜上的量子阱態(tài) 鐵磁金屬薄膜（自旋極化的）量子阱鐵磁金屬薄膜（自旋極化的）量子阱sd散射機(jī)制散射機(jī)制薄膜薄膜Cu（100）在）在fcc Co（100）基底上）基底上自旋極化的自旋極化的光發(fā)射譜光發(fā)射譜（下左圖）（下左圖）能帶結(jié)構(gòu)圖能帶結(jié)構(gòu)圖 （下右圖）（下右圖）層間耦合的理論層間耦合的理論 計(jì)算不同的計(jì)算不同的NM厚度、不同的自旋狀態(tài)的總能量。厚度、不同的自旋狀態(tài)的總能量。 比較哪個(gè)磁狀態(tài)有利？比較哪個(gè)磁狀態(tài)有利？ 總能量總能量庫(kù)侖作用庫(kù)侖作用DOS波函數(shù)波函數(shù)非磁層厚度、鐵磁層非磁層厚度、鐵磁層自

4、旋狀態(tài)。自旋狀態(tài)。 注意：長(zhǎng)程靜磁（偶極）耦合！注意：長(zhǎng)程靜磁（偶極）耦合！交換作用交換作用 （1）氫分子）氫分子三重態(tài)或單態(tài)三重態(tài)或單態(tài)交換作用符號(hào)交換作用符號(hào)電子云（波函數(shù)）的重疊情況電子云（波函數(shù)）的重疊情況電子波函數(shù)性質(zhì)電子波函數(shù)性質(zhì)（2）RKKY作用作用鐵磁或反鐵磁態(tài)鐵磁或反鐵磁態(tài)交換作用的振蕩交換作用的振蕩f 電子自旋之間，通過電子自旋之間，通過s 電子間接交換作用電子間接交換作用 f 電子局域波函數(shù)電子局域波函數(shù) s 電子平面波波函數(shù)電子平面波波函數(shù)振蕩周期決定于振蕩周期決定于 s電子電子Fermi波長(zhǎng)波長(zhǎng)鐵磁金屬量子阱鐵磁金屬量子阱 FM/NM/FM中，中，鐵磁層間的振蕩耦合鐵

5、磁層間的振蕩耦合鐵磁鐵磁FM層之間的耦合能量，隨非磁層厚度增加而振蕩層之間的耦合能量，隨非磁層厚度增加而振蕩振蕩周期（波矢）為振蕩周期（波矢）為（與自由電子氣比較）（與自由電子氣比較）各種各種3d、4d金屬的結(jié)果相近？金屬的結(jié)果相近？ 1112A反鐵磁金屬量子阱反鐵磁金屬量子阱AFM/NM /AFM 蔡健旺等蔡健旺等NiFe/ FeMn/ Cu / FeMn困難：困難：反鐵磁體的反鐵磁體的“磁化特性磁化特性”方法：方法：交換偏置表征交換偏置表征振蕩周期：振蕩周期：加倍（加倍（21A)10203040500102030405060Exchange bias (Oe)Thickness of Cu

6、 spacer (A) 28A 26A第二次（11月10日）上一次上一次 的的 內(nèi)容內(nèi)容（1）FM/NM多層膜中， 相鄰FM層之間的耦合 隨NM層厚度變化振蕩衰減（2）單層厚度為若干納米（3）NM層中電子處于“磁性量子阱”問題（1）多層膜的磁滯回線？答：a，MH關(guān)系： H之下，體系的磁化狀態(tài) 由總自由能量極小條件自由能量極小條件確定 c，F(xiàn)M排列時(shí)， 外場(chǎng)能磁晶各向異性能（幾個(gè)奧）磁晶各向異性能（幾個(gè)奧） d，反鐵磁排列時(shí)， 外場(chǎng)能磁晶各向異性能（幾個(gè)奧） 層間反鐵磁耦合能（幾百奧）層間反鐵磁耦合能（幾百奧）問題2 單層膜厚度 t 的限制金屬：金屬：t（2nm2nm ） (20nm)(20nm

7、) Ls (200nm Ls (200nm） a，增大分子。需遠(yuǎn)小于”自旋弛豫長(zhǎng)度“。兩流體近似。b，減小分母。需遠(yuǎn)小于”平均自由程“。彈性散射。*平均自由程（10103030納米）納米） 自旋弛豫長(zhǎng)度Ls（100500納米）00)(RRRMRH巨磁電阻（巨磁電阻（GMR）效應(yīng)）效應(yīng)Fert （1988） Fe/Cr 超晶格？超晶格？Grunberg （1986）相鄰磁矩相鄰磁矩反鐵磁排列反鐵磁排列MBE優(yōu)質(zhì)材料優(yōu)質(zhì)材料Mott兩流體模型兩流體模型 (1)N.H.Mott,Proc.Roy.Soc. A153,699(1936)近似：電子與（熱激發(fā)）自旋波散射可以忽略， （低于居里點(diǎn)） 只考慮

8、電子與磁性離子自旋間的散射。 （sd散射）約定：與磁矩同方向的電子處于主要子帶（majority） 相反方向自旋電子處于次要子帶（minority）兩流體模型（兩流體模型（2）散射過程中沒有自旋反轉(zhuǎn)散射過程中沒有自旋反轉(zhuǎn)S電子未被電子未被d （ majority ）電子散射，）電子散射，對(duì)電導(dǎo)貢獻(xiàn)大對(duì)電導(dǎo)貢獻(xiàn)大 （d 在在Fermi面沒有狀態(tài)面沒有狀態(tài)) S 電子電子 被被d (minority )電子散射，電子散射，對(duì)電導(dǎo)貢獻(xiàn)小對(duì)電導(dǎo)貢獻(xiàn)小 ( d 有效質(zhì)量太大有效質(zhì)量太大) 結(jié)果：結(jié)果：電導(dǎo)的自旋相關(guān)因子電導(dǎo)的自旋相關(guān)因子1兩流體模型（兩流體模型（3）測(cè)量值：測(cè)量值：Co和和Ni大；大；Fe較?。惠^?。籆u為零為零I.A.Cammpbell and A.Fert (1982) Mott兩流體模型兩流體模型(4)計(jì)入Spinflip 散射（熱自旋波散射），高溫電阻率低溫電阻率（Spinflip 散射 ） 40Mott模型和模型和GMR效應(yīng)效應(yīng)(1)Mott模型和模型和GMR效應(yīng)（效應(yīng)（2） 按Mott模型（看上圖）1，電子自旋與所在層磁矩電子自旋與所在層磁矩 相同時(shí)，相同時(shí)， s電子與（Majority）d 電子散射弱， 電子自旋與所在層磁矩電子自旋與所在層磁矩 相