1、自旋电子学与自旋电子器件简述陈闽江，邱彩玉，孙连峰（国家纳米科学中心 器件研究室 北京 100190）一、引言2007 年 10 月，瑞典皇家科学院宣布，将该年度诺贝尔物理学奖授予在1988 年分别独立发现纳米多层膜中巨磁电阻效应的法国 Albert Fert 教授和德国 Peter Grunberg 教授。其随后的应用不啻为革命性的，因为它使得计算机硬盘的容量从几十兆、几百兆，一跃而提高了几百倍，达到几十 G 乃至上百 G。越来越多的人开始了解这个工作及其对我们生活的影响，并意识到这个工作方向的重要意义。1988年在磁性多层膜中发现巨磁电阻效应(Giant Magnetoresistance
2、，GMR)，1993年和1994年在钙钛矿锰氧化物中发现庞磁电阻效应(Colossal Magnetoresistance，CMR)，特别是 1995年在铁磁性隧道结材料中发现了室温高隧穿磁电阻效应(Tunneling Magnetoresistance，TMR)以及后续形成的稀磁半导体等研究热潮，这些具有里程碑意义的人工合成磁性材料的成功制备和深入研究，不仅迅速推动了近20年凝聚态物理新兴学科自旋电子学(spintronics)的形成与快速发展，也极大地促进了与自旋极化电子输运相关的磁电阻材料和新型自旋电子学器件的研制和应用。中国科学院物理研究所朱涛研究员表示：“Albert Fert和Pe
3、ter Grunberg种下了一粒种子，随着20世纪90年代应用的突破，这粒种子长成了一棵小苗自旋电子学，这是一个成长很快、前景广阔的磁学分支。 ”二、电子自旋与自旋电子学要阐明自旋电子学，就不得不先简述一下电子自旋这一概念。电子自旋不是电子的机械自转，电子自旋及磁矩是电子本身的内禀属性，所以也被称为内禀角动量和内禀磁矩。它们的存在标志电子还有一个新的内禀自由度。所以电子状态的完全描述不但包括空间三个自由度的坐标（r） ，还必须考虑其自旋状态。更确切地说，要考虑自旋在某给定方向（例如 z 轴方向）的投影的两个可能取值的波幅，即波函数中还应该包含自旋投影这个变量（习惯上取为 ） ，ZS从而记为
4、。与连续变量 r 不同， 只能取 两个离散值。(,)ZrsZS2接下来，认识电的和磁的相互作用在强度上的差异和不同的特点，可以了解自旋电子学的潜力。电荷周围存在电场，通过静电力和其他电荷发生相互作用，这种相互作用是强的和长程的。在常见的半导体中，两个相距 5 的元电A荷间的相互作用能可达 0.2eV，它正比于距离的倒数 。1V 的电压可使载流子1r改变 1eV 的能量。然而距离为 5 的一对电子自旋之间的磁偶极耦合能却只有A约 eV 量级。与静电相互作用相比，它是短程的。在高达 1T 的磁通密度下，710自旋的能量变化只有 eV 量级。和静电相互作用相比，磁的相互作用要小几510个数量级。就存
5、储应用而言，磁相互作用的短程性和弱的相互作用能意味着低功耗和高存储密度，因为靠得很近的磁量子位仍可以保持相互的独立性。虽然电子自旋有这么多的优点可被利用，但是二次大战之后，世界文明的发展都只和电子学有关系，人们从不关心电子的磁性（电子自旋） 。经过多年发展，小到手表，大到宇宙，电子的电性有了充分利用，但是磁性一直沉睡着。直到 1988 年，巨磁电阻效应的发现，第一次揭示了电子自旋的作用，因而具有重大的科学意义。现在的超大规模集成电路在 1 平方厘米的面积上可以集成10710 8个电子元件。而目前公认的器件最小尺度是 20 纳米，一旦小于这个尺寸，传统的工作原理如欧姆定理等就会失效，量子效应则开
6、始起作用。量子效应是几率性、不可预测的，将导致器件工作不稳定。要想突破这个尺寸限制，就必须利用电子的自旋，把自旋作为信息储存、处理、输运的主体。自旋电子学是基于操纵和控制自旋的电子学。它或将自旋（或磁性）作为信息的载体，通过电流或电压进行操控；或将自旋或磁场作为操控电荷或电流信息的手段。操纵电子自旋是指控制自旋的布局，或操控载流子集合的自旋的相，或对单个电子或少数电子自旋进行相干操控。自旋电子学可同时利用电子的自旋和电荷的性质，以实现电子学的功能或量子计算。自旋电子学的研究对象包括电子的自旋极化、自旋相关散射、自旋弛豫以及与此相关的性质及其应用等。目前，自旋电子学的基础研究和应用开发都为物理学
7、、材料科学和电子工程学等领域提供了广阔的发展天地。按照美国加州大学 Awschalom 教授的观点，自旋电子学器件可分为三个层次：一是基于铁磁性金属的器件；二是将自旋注入半导体器件；三则是单电子自旋器件。目前进入应用的器件（如 GMR 自旋阀）还只处于第一层次；对于自旋控制和自旋极化输运的了解处于较为肤浅的阶段；对各种新现象、新效应的理解基本上只是半经典的和维象的。因此，自旋电子学的发展还面临很多更大的挑战，当然，机遇与挑战是并存的。三、基于铁磁金属的自旋电子器件对于普通金属和半导体，自旋向上和自旋向下的电子在数量上是一样的，所以传统的金属电子论往往忽略电子的自旋自由度。但是对于铁磁金属，情况
8、则不同。在铁磁金属中，电子的能带分成两个子带，自旋向上子带和自旋向下子带。这两个子带形状几乎相同，只在能量上有一个位移，这是由于铁磁金属中存在交换作用的结果。正是由于两个子带在能量上的差别，使得两个子带的占据情况并不相同。在费米面处，自旋向上和自旋向下的电子态密度也是不同的。这样在铁磁金属中，参与输运的两种取向的电子在数量上是不等的，所以传导电流也是自旋极化的。同时由于两个子带在费米面处的电子态密度不同，不同自旋取向的电子在铁磁金属中受到的散射也是不同的。因此在系统中，如果存在铁磁金属，两种自旋取向的电子的输运特性也有着显著的差别。基于铁磁金属的自旋电子器件正是利用上述的电子特性设计而成的。巨
9、磁电阻（GMR）效应 早在 1857 年 W.Thomson（开尔文勋爵）就在铁和镍中发现了磁电阻效应，即在磁场作用下，磁性金属内部电子自旋方向发生改变而导致电阻改变的现象。由于磁化方向的导电电阻升高而垂直方向的电阻降低，故称之为各向异性磁电阻（Anisotropic Maganetoresistance，AMR） 。磁电阻的相对比值磁致电阻（Magnetoresistance，MR）可表示为：。 和 分别为有磁场作用下和磁场为零时的电阻。0()HMRRH0RMR 值随磁场增大而增大，最后达到饱和。但铁磁金属与合金的饱和磁电阻值很小，只有约 1%5%。1988 年，Fe/Cr 金属多层膜在外磁
10、场中电阻变化率高达 50%的巨磁电阻效应（GMR）被发现, 各国科学家开始从理论和实验上对多层膜 GMR 效应展开了广泛而深入的研究。GMR 产生机制取决于非铁磁层两边的铁磁层中电子的磁化（磁矩）方向，用于隔离铁磁层的非铁磁层，只有几个纳米厚，甚至不到一个纳米。当这个隔离层的厚度是一定的数值时，铁磁层的磁矩自发地呈现反平行；而加到材料的外磁场足够大时，铁磁材料磁矩的方向变为相互平行。电子通过与电子平均自由程相当厚度的纳米铁磁薄膜时，自旋磁矩的取向与薄膜磁化方向一致的电子较易通过，自旋磁矩的取向与薄膜磁化方向不一致的电子难以通过。因此，当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有
11、最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大，从而使磁电阻发生很大变化。自旋阀（Spin-valve，SV） 对于反铁磁耦合的多层膜，需要很高的外磁场才能观察到 GMR 效应，故并不适用于器件应用。在 GMR 效应基础上人们设计出了自旋阀，使相邻铁磁层的磁矩不存在（或只存在很小的）交换耦合。自旋阀的核心结构是两边为铁磁层，中间为较厚的非铁磁层构成的 GMR 多层膜。其中，一边的铁磁层矫顽力大，磁矩固定不变，称为被钉扎层；而另外一层铁磁层的磁矩对小的外加磁场即可响应，为自由层。由于被钉扎层的磁矩与自由层的磁矩之间的夹角发生变化导致 GMR 的电阻值改变。如此，在较低
12、的外磁场下相邻铁磁层磁矩能够在平行与反平行排列之间变换，从而引起磁电阻的变化。自旋阀结构的出现使得巨磁电阻效应的应用很快变为现实。最常用的“顶部钉扎自旋阀” （top spin-valve）的具体结构如图一所示：其中，缓冲层（buffer layer）,可使镀膜有较佳的晶体成长方向，也称之为种子层。自由层（free layer）,由易磁化的软磁材料所构成。中间夹层盖帽层缓冲层衬底自由层钉扎层中间夹层被钉扎层反铁磁性铁磁性铁磁性非磁性材料 GMR多层膜图一 自旋阀（ SV）叠层结构示意图（spacer）,为非铁磁性材料，目的为于无外加磁场时，让上下两铁磁层无耦合作用。被钉扎层（pinned la
13、yer）,被固定磁化方向的铁磁性材料。钉扎层（biasing layer）,用于固定“被钉扎层”磁化方向的反铁磁性材料。这种非耦合型自旋阀的优点有：磁电阻变化率对外磁场的响应呈线性关系，频率特性好；饱和场低，灵敏度高。虽然自旋阀结构的磁电阻变化率不高，通常只有百分之几，但饱和场较低，使磁场灵敏度大大提高；自旋阀结构中铁磁层的磁矩的一致转动，能够有效地克服巴克豪森效应，从而使信噪比提高。与超晶格 GMR 一样，自旋阀磁电阻的来源仍归结于磁性层/非磁性层界面处的自旋相关电子散射。自旋阀中出现 GMR 效应必须满足这样的条件：传导电子在铁磁层中或在铁磁/非铁磁界面上的散射概率必须是自旋相关的；传导电
14、子可以来回穿过两铁磁层，并能够记住自己的自旋取向，即自旋平均自由程大于隔离层厚度。磁隧道结（Magnetic Tunnel Junctions, MTJ） 非磁层为绝缘体或半导体的磁性多层膜即磁性隧道结。通常，磁性隧道结是由两层纳米磁性金属薄膜（FM）和它们所夹的一层氧化物绝缘层（I）所组成的三明治结构（FM/I/FM） ，I 的厚度约为 11.5 纳米，如图二所示：这种磁性隧道结在横跨绝缘层的电压作用下,其隧道电流和隧道电阻依赖于两个铁磁层磁化强度的相对取向。如果两铁磁电极的磁化方向平行，则一个电极中费米能级处的多数自旋态电子将进入另一个电极中的多数自旋态的空态，同时少数自旋态电子也从一个电
15、极进入另一个电极的少数自旋态的空态。即磁化平行时，两个铁磁电极材料的能带中多数电子自旋相同，费米面附近可填充态之间具有最大匹配程度，因而具有最大隧道电流。如果两电极的磁化反平行，则一个电极中费米能级处的多数自旋态的自旋角动量方向与另一个电极费米能级处的少数自旋态的自旋角动量平行，隧道电导过程中一个电极中费米能级处占据多数自旋态的电子必须在另一个电极中寻找少数自旋态的空态，因而其隧道电流变为最小。通过绝缘层势垒的隧穿电子是自旋极化的，可观测到大的隧穿磁电阻(TMR)。隧道结巨磁电阻可得到比自旋阀更高的 MR 数值，新近的水平在室温下达到 400%。同时，磁隧道结还具有低功率损耗、低饱和场等特点。
16、MTJ 技术已用于制备比自旋阀更先进的磁盘读出头, 目前得到的磁录密度最高约为 200 Gb 每平方英寸。V铁磁层隧穿势垒层铁磁层衬底图二 磁隧道结（MTJ）结构示意图磁性随机存取存储器（Magnetic Random Access Memory，MRAM） 巨磁电阻材料的出现，使得 MRAM 作为计算机内存芯片的设想自然被提出，用于取代体积大速度慢的磁芯随机存储器。MRAM 结构是采用纳米技术，把沉积在基片上的 GMR 薄膜或 TMR 薄膜（目前更新的技术是使用 TMR 薄膜）制成图形阵列，形成存储单元，以相对的两磁性层的平行磁化状态和反平行磁化状态分别代表信息“1”和“0” 。结构如图三所
17、示：若将上下两层导线通电流，则可视为记忆单元置于相互垂直的磁场中。若要在其中一个记忆单元写入资料，例如第一行第一列，则将电流通过第一行的word 线，加的电流只比临界值要低一点，此时再加上一小电流到第一列的 bit线，就会使得此记忆元的自由层磁化方向翻转，从而完成信息的写入。通过改变两铁磁层的相对磁化方向，磁致电阻(MR)就会发生变化。电阻一旦变大，通过它的电流就会变小，反之亦然。因此，只需用一个三极管来判断加电时的电流数值就能够判断铁磁层磁化方向的两种不同状态，读出“0“和“1“。 MRAM 是一种非挥发性、随机存取、长效性和高速性的存取器。铁磁体的磁性不会由于掉电而消失，所以它并不像一般的
18、内存一样具有挥发性。关掉电源后，MRAM 仍可以保持记忆完整；中央处理器读取资料时，不一定要从头开始，随时可用相同的速率从内存的任何位置读写信息；MRAM 的数据以磁性为依据，以“0”或“1” 为形式，而铁磁体的磁性几乎是永远不消失的，因此存储的数据具有永久性；磁阻内存存储的数据直到被外界的磁场影响之后，才会改变这个磁性数据，几乎可以无限次地重写；MARM 的存取速度高达 25 到 100ns。MRAM的核心技术主要包括高 MR 比值的磁性材料结构，降低位元尺寸，读写的架构及方法等。四、基于半导体的自旋电子学在半导体中有可能实现包括放大器在内的多种功能的自旋电子学器件。在半导体中和自旋相关的现
19、象比金属中更为丰富。自旋极化除了和外界的磁、光、电存在各种相互作用以外，在内部也存在多种相互作用：自旋-轨道相互作用，交换相互作用，电子自旋和核自旋之间的超精细结构相互作用等。而且，掺杂、栅、异质结构等都可用来改变半导体材料的自旋相关的性质。一些新的功能可以通过自旋注入、自旋输运和控制自旋态来实现。这些涉及半导体材料的自旋研究工作自然就导致半导体自旋电子学的出现。按照磁性分类，存在三种类型的半导体：磁性半导体、稀磁半导体和非磁bit线word线TMR结构 磁性包覆层图三 MRAM的结构示意图性半导体，如图四所示：其中，稀磁半导体（Diluted magnetic semiconductors，
20、DMS） ，是指非磁性半导体中，部分原子被过渡金属元素(transition metals, TM) 取代，或部分非磁性阳离子被稀土金属离子替代，之后形成的磁性半导体。在不存在磁场时，稀磁半导体和普通半导体的性质相似。它们大多是直接带隙半导体，带隙宽度、有效质量、晶格常数等可以通过改变成分加以调整。在磁场下，这类半导体可表现出顺磁性，在居里温度以下则具有铁磁性或反铁磁性。人们对稀磁半导体的兴趣主要在于其铁磁性，特别是具有高居里温度的-族化合物。相对于铁磁性金属，铁磁性半导体和普通半导体形成的异质结具有高的自旋极化注入效率。半导体自旋电子学主要包括两个领域：一是半导体磁电子学，它是将磁性功能结合
21、进半导体中，如磁性半导体或半导体与磁性材料的复合材料。由此可以研制光学隔离器、磁传感器以及非挥发性内存等半导体器件。如果将光学、磁学和电学性质结合起来，还会产生自旋场效应晶体管、自旋发光二极管和自旋共振隧穿器件等多功能自旋器件。另一个领域就是半导体量子自旋电子学，它主要是指自旋的量子力学特性在半导体中的应用，如 T 赫兹光开关、调制器、加密/解码器以及量子比特等等。自旋的注入、输运和检测是实现自旋电子器件最基本的条件。自旋注入就是自旋极化的形成，本质就是自旋的非平衡布居。在自旋注入方面，最大的问题是如何将一束高度自旋极化的电流从稀磁半导体有效并且没有大损失地注入到普通半导体中。实现自旋注入主要
22、有两种方法，其一是光取向或光抽运这些光学技术；而在自旋电子器件中，为便于器件的应用，采用的是电学自旋注入。目前常用的方法主要有欧姆式自旋注入、隧道结自旋注入、热电子自旋注入。自旋输运方面研究的重点主要是自旋极化载流子的自旋扩散长度和退相干时间，分别表征自旋极化载流子在空间和时间的可控范围。关于自旋检测，主要采用光学和电学两种检测方法。光学检测优点在于可以避免其他电学效应的影响，电学检测是最直接利用半导体/铁磁界面的自旋相关输运性质的检测方法。相对于电学检测，光学检测方法比较成熟，取得了很大进展。伴随着自旋场效应晶体管的提出，以及掺有磁性原子 Mn 等的半导体的铁磁性的发现，在电子输运中电场对自
23、旋的控制的实现，半导体中长的电子自旋相干时间的发现，向半导体注入自旋极化的载流子的实现，自旋霍尔效应的认识和发现等，半导体自旋相关现象的研究得到了迅速的发展。特别是长的电子(c)(b)(a)图四 (a)磁性半导体 (b)稀磁半导体(c)非磁性半导体的晶格示意图自旋相干时间的发现具有重要意义。自旋器件和量子计算都要求有充分的时间对自旋进行相干操控。相关研究的迅速发展得益于半导体材料工艺和微纳米加工工艺的迅速发展。半导体自旋电子学研究的目标之一就是利用基于电子自旋和核自旋的长自旋相干时间的半导体器件来完成量子信息处理。事实上，自旋量子计算机可能是量子计算固态实现中最有前途的，也是自旋电子学发展集大
24、成的表现形式。半导体自旋电子学这个领域虽然发展迅猛，到距离真正利用半导体自旋自由度还有很长的路要走，大量的问题有待于从理论和实践两个方面解决。五、总结自旋电子学和纳米磁性是当前凝聚态物理领域最重要的研究前沿之一。该领域在近 10 年的发展迅猛，不但大大增加了人类对纳米体系磁性和电子其他特性的了解，还出现了一系列有重要潜在应用价值的新现象、新器件。比如自旋扭矩效应使得新的磁性随机存储器件有望同时替代硬盘和内存；对自旋霍尔效应和稀磁半导体的研究有可能产生功耗大大降低的信息技术器件。对新型自旋电子学、物理和原理型器件的研究，不仅具有重大的基础科学研究价值，而且由于其重要的功能特性和新技术应用特性，已超过十年连续推进高密度存储、微机电传感系统和自旋电子器件等领域的技术变革和飞速进步。积极探索新型自旋电子学功能材料，并以新材料为重点开展广泛的磁特性、电子自旋、磁电、磁热、磁光效应和自旋量子调控等方面的应用基础研究，探索微观电子结构、自旋相关的微磁结构、交换耦合、表面和界面效应等对材料功能特性的影响，可以引领新型自旋电子学原理型器件的研制，从而进一步满足国家在科技和经济发展中对功能材料的现实应用的需求和中长期发展规划的储备。
