Ch 3 隧道磁电阻（ TMR ）效应

1. Ch 3 隧道磁电阻（TMR）效应 本讲内容（2学时）重点： 隧穿现象和 隧道磁电阻（TMR）效应 Julliere公式 结晶MgO隧道结(新)

2. 隧穿现象 “M－I－M” 振荡波和衰减波 电子的穿透率 用 WBK 方法计算波函数

3. 计算穿透率 T 自由电子平面波情况 结果： 简化： 位垒 与坐标无关， （1）强入射、弱势垒 入射能量E接近 V0、绝缘层很窄 (X2-X1)→ 0。 那么，I → 0；T→1。 电子的穿透。 （2）弱入射、强势垒 反之。 那么，I → 很大；T→很小。电子受阻。

4. 隧穿电流Simmons 公式！（1963） 应该计入Fermi－Dirac 统计 (1) → (2) 电子 (2) → (1) 电子 隧穿电流 重要物理结论： 隧穿电流 ≈ 指数衰减部分×状态函数部分 其中，指数部分＝ F（势垒宽、高度，...） 状态部分＝ F（两个电极的性质,...）

5. 几种隧穿现象的差别 不同的“两电极性质”和“势垒、宽、高度” (物理含义!) 名称 势垒 电极 1 隧道效应 绝缘体 简单金属－I －简单金属 2 隧道磁电阻效应 绝缘体 铁磁金属－I －铁磁金属 3 扫描隧道显微镜STM 真 空 简单金属－V－待测样品 4 自旋极化STM 真 空 铁磁金属－V－待测样品 5 .........

6. 隧穿磁电阻 (TMR) 效应 “FM－I－ FM”结 发现 M Julliere （1975）； 再发现 T Miyazaki （1995） Moodera （1995）

7. GMR TMR

8. TMR实验结果韩秀峰等（2000）

9. TMR物理

10. Julliere公式（1） 隧穿电流 （近似!）I ∝ 指数衰减部分×状态密度部分 上左图 FM电极的磁矩彼此“平行” （注意：数值大小是 ） 上右图 FM电极的磁矩彼此“反平行” （注意：数值大小是 ）

11. Julliere公式（2） 比较“不同自旋态”隧穿电流的大小 ? 问：>？ 这就是TMR效应 证明：（两个数自乘之和必大于互乘的2倍） 假设 就有 当然 不等式成立

12. Julliere公式（3） TMR比率（放大的） 定义 分子 ＝ 分母 ＝

13. Julliere公式（4） TMR的公式（用自旋极化率 表示） 第一个电极 第二个电极 简单代数运算，就得到 Julliere的公式，

14. Julliere公式（5） “保守的”Julliere的公式 例子，如果，以Fe和Co 作为电极， 那么 TMR比率＝0。26

15. STM 将“M－I－M”结中绝缘体 (I） 换成“真空”，得STM。 将Julliere“FM－I－FM”结中绝缘体（I） 换成“真空”，得自旋极化的STM。

16. 结晶MgO隧道结 2001年Butler、张晓光等理论预言： 在完全结晶的磁隧道结 Fe(100)/MgO(100)/Fe(100)中， 磁电阻比率 可以达到1000％。 (注：按另一种定义磁电阻比率为91％) （PhysRev B63，054416（2001））

17. Parkin等人报道实验值达到200％。（Nature Materials 3, 862(2004) 。 • TaN(10)/IrMn(250)/Co84Fe16(8)/30Co70Fe30(3)/MgO(3.1)/Co84Fe16(15)/TaN(12.5)。单位为纳米。

18. 日本 Shinji Yuasa 等人报道类似结果。（Nature Materials 3, 868(2004) • MgO绝缘层断面的高分辨电子显微镜相片。 • 具有清晰的（001）MgO层结晶取向。

19. Fe(100)/MgO(100)/Fe(100)结晶隧道结

20. 界面的结构 大的原子为Fe 黑的原子为氧 小的为Mg

22. 物理 (受限于空间的对称性、能量、动量、自旋守恒) • 铁的费米面 多子 能带的对称性与MgO 能隙（100）方向的复能带相符 其他在费米能级的能带对称性低于 能带 • 少子能带高于费米能级

24. 将导致下列实验现象 • 两边电极自旋“平行”时， 电子从多子带Fermi面到另一个多子带Fermi面， （在对称性为 的能带中） 电子流“很通畅”， 即D>> • 两边电极自旋“反平行”时， 电子从多子带Fermi面到另一个少子带Fermi面， （因能量、对称性不合） 电子流“极不通畅”，即d<< • 结果是 D>>>>d。 类似半（自旋）金属

25. 非晶体隧道结？ • 在结晶MgO结中， Z－方向复数动量的虚部 在 点达到极小。 接近动量守恒。 • 在非晶体Al2O3结， 在Z－方向动量不守恒， 从而衰减严重。

26. 结束