磁性多層膜巨磁電阻效應(yīng)理論

摘 要:簡要概述了磁性多層膜結(jié)構(gòu)巨磁電阻效應(yīng)的現(xiàn)有主要理論。對唯像理論、Boltzmann輸運(yùn)方程理論和量子理論的相關(guān)工作進(jìn)行了總結(jié)評述。

關(guān)鍵詞:磁性多層膜材料巨磁電阻效應(yīng)理論

中圖分類號:O48文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2011)09(b)-0092-02

巨磁電阻(GMR)材料的電阻可對外磁場產(chǎn)生巨幅響應(yīng)，在信息存儲等領(lǐng)域具有十分重要的應(yīng)用前景。自20世紀(jì)80年代在(Fe/Cr)N多層膜中發(fā)現(xiàn)起，GMR研究便倍受關(guān)注，連續(xù)膜、顆粒膜等高GMR磁性多層膜結(jié)構(gòu)材料及GMR磁場傳感器等器件不斷涌現(xiàn)。同時巨磁電阻效應(yīng)理論的研究也取得了長足發(fā)展，唯像理論、半經(jīng)典理論和量子理論均相繼構(gòu)建，使多層膜結(jié)構(gòu)材料GMR的眾多問題得以分析，為GMR多層膜材料設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。本文概要介紹以上理論。

1 唯像基本理論

多層膜結(jié)構(gòu)材料GMR唯像基本理論是后續(xù)高級理論的物理基礎(chǔ)，在GMR研究中居于十分重要的地位。該理論基于二流體模型提出，認(rèn)為多層膜磁層內(nèi)電子分為自旋向上和自旋向下兩類，相鄰磁層內(nèi)磁矩反平行排列。磁矩對反方向自旋電子的散射作用強(qiáng)于同方向自旋電子，無外場作用時多層膜內(nèi)電子不能連續(xù)穿越兩個磁層，體系呈高電阻;外場作用下，體系內(nèi)磁矩趨向外場方向，導(dǎo)致體系內(nèi)自旋方向與外場方向相同的電子可以穿越整個體系，引起體系電阻劇烈下降。該理論要求相鄰磁層成反鐵磁耦合、單一磁層厚度必須遠(yuǎn)小于傳導(dǎo)電子的平均自由程，同時磁性原子對不同自旋方向電子的散射率必須相差很大。

2 Boltzmann輸運(yùn)方程理論

唯像理論正確指出了外場作用改變體系電子散射行為是GMR起源的基本機(jī)制，但只考慮了磁層內(nèi)部體散射的作用。Camley等通過對(Fe/Cr)N多層膜的Boltzmann輸運(yùn)方程的計算發(fā)現(xiàn)增加體系層數(shù)及電子平均自由程同膜厚度比值可增強(qiáng)GMR效應(yīng)強(qiáng)度，表明界面散射在GMR中起到重要作用，其機(jī)制為界面導(dǎo)致的層間自旋作用勢差異。增加界面粗糙度既可提高層內(nèi)電流模式(CIP)GMR的強(qiáng)度還能提高(CuFe)1-xCrx體系反巨磁電阻效應(yīng)(IGMR)出現(xiàn)的可能性。

Johnson等發(fā)現(xiàn)多層膜內(nèi)起散射作用的界面不應(yīng)是突變的，而應(yīng)是具有一定厚度的混合界面，且混合層內(nèi)量子界面效應(yīng)在GMR效應(yīng)中可能存在重要作用。在該結(jié)構(gòu)模型中，CIP模式GMR的必要條件之一與GMR唯像理論結(jié)論一致，要求電子平均自由程大于膜層厚度;垂直電流(CPP)模式GMR在膜層厚度接近電子平均自由程時以指數(shù)律下降。

3 量子理論

Boltzmann輸運(yùn)方程理論要求電子在整個體系內(nèi)具有均勻散射率，該假設(shè)與多層膜的實際情況并不相符，此時對體系進(jìn)行量子理論處理是必須的。

GMR量子理論可分為Kubo線性響應(yīng)方程和Landau-Buttiker散射機(jī)制兩類。前者最早由Levy等提出，他們引入自旋依賴散射勢概念，在動量空間計算了隨機(jī)分布散射體對電子的自旋依賴散射行為，表明當(dāng)電子平均自由程大于膜層厚度時，CIP模式GMR的電阻器模型有效，進(jìn)一步確認(rèn)了外磁場改變電子平均自由程是GMR起源的基本思想。此后，實空間Kudo方法的分析顯示多層膜周期性在GMR產(chǎn)生中并非必須;CIP和CPP模式GMR在尺寸效應(yīng)上存在差異;CIP模式由于電子散射振幅的重整化，對稱模式自旋散射的增加導(dǎo)致非單調(diào)GMR，而CPP模式卻是單調(diào)的，且可簡化為在所有尺度上均有效的系列電阻器模型。

Dong采用相同方法考慮體散射、界面散射和表面散射的共同作用，成功重現(xiàn)了多層膜GMR振蕩現(xiàn)象，指出次能帶和自旋隧道對材料導(dǎo)電性皆有貢獻(xiàn)，且Bolzmann輸運(yùn)方程理論同量子理論存在必然聯(lián)系，得到了實空間Kudo理論的支持。

GMR的Landau-Buttiker散射機(jī)制認(rèn)為導(dǎo)電性同體系導(dǎo)電通道數(shù)量成正比，而導(dǎo)電通道數(shù)量可由外場調(diào)節(jié)，CPP模式GMR源于導(dǎo)電通道數(shù)量變化，而CIP模式源于界面缺陷對電子的散射。接觸勢，體散射和界面散射對GMR皆有貢獻(xiàn)，后者又可分為鏡面散射和漫散射兩種機(jī)制，低漫散射率對應(yīng)高GMR，GMR極限值可由Julliere方程給出。

Landau-Buttiker電子散射機(jī)制還可將Boltzmann半經(jīng)典理論同Kudo量子理論聯(lián)系起來。基于此，Rychkov提出的GMR連續(xù)隨機(jī)矩陣?yán)碚摮晒γ枋隽俗孕y的自旋積累和自旋磁矩行為，認(rèn)為自旋積累同自旋電流梯度成正比，當(dāng)高極化磁層內(nèi)自旋電流大于低極化磁層內(nèi)自旋電流時，自旋磁矩運(yùn)動形式為波。

4 結(jié)語

多層膜巨磁電阻效應(yīng)的眾多特征已能在理論上得到一定程度說明，但仍有許多GMR行為，如界面磁無序和自旋軌道散射在GMR中所起作用，尚未從以上理論中得到解釋。磁隧道結(jié)構(gòu)的提出給GMR理論研究又提出了新挑戰(zhàn)，多層膜巨磁電阻效應(yīng)理論的研究工作仍有待深入進(jìn)行。

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