磁电子学作业题答案

电子自旋发展现状 磁电子

1. 电子自旋的基本特征

(1)自旋是基本粒子的固有内禀属性，性质类似于轨道角动量与轨道磁矩，并可以相互耦合，在研究电子的运动状态时，应该将自旋作为一种内禀自由度，质子和中子也都有自旋，它们的自旋角动量在任何方向的投影，与电子一样，只取量子化数值 /2；

(2)自旋在任何方向的投影只能取量子化数值 /2；

(3)电子的轨道磁矩与轨道角动量的比值为（-e/2mc）。

2. 简述自旋电子学发展历程,最新的发展趋势是什么？

发展历程:可以简单归纳为三步：巨磁电阻

自旋电子学是电子学的一个新兴领域，其英文名称为Spintronics，它是由Spin和Electronics两词合并创造

出来的新名词。顾名思义，它是利用电子的自旋属性进行工作的电子学。

1857年thmson发现铁磁多晶体的各向异性磁电阻效应；

1971年hunt提出可以利用铁磁金属的各向异性磁电阻效应来制作磁盘系统的读出磁头；

1971年tedrow等利用超导体（Al）/绝缘层（Al2O3）/铁磁金属（Ni）的隧道结测出穿越绝缘体的电流是

自旋极化电流，而自旋极化电流是通过铁磁金属产生的；

1973年tedrow用隧道谱法测量了Fe,Co,Ni和Gd的自旋极化率；

1983年meservey发现Fe薄膜在1nm厚度时自旋极化逐渐达到饱和；

1988年baibich发现巨磁组效应（ＧＭＲ）；

1991年deieny用反铁磁层钉扎铁磁层构成自旋阀；

1995年人们在三明治结构中观察到很大的隧道磁电阻现象（TMR）;

发展趋势： 磁性传感器；磁记录读出磁头；非挥发性存储器。

3. 解释磁性多层膜中巨磁阻效应产生的机理

（1）多层膜是利用分子束外延或溅射技术生成的铁磁性和非铁磁性薄膜交替重叠的超晶格结构；

（2）磁性多层膜中相邻磁层的磁矩在外加磁场的作用下成不同角度时,自旋向上和自旋向下的传导电

子受到散射程度不同,表现出不同的阻抗这就是磁性多层膜的巨磁效应的起因；

(3)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。

4.自旋阀材料的基本结构和典型效应，解释各层的作用

基本结构：自旋阀主要由铁磁层(自由层)/隔离层(非磁性层)/铁磁层(钉扎层)/反铁磁层组成,其中AF为

反铁磁层,F为铁磁层,NM为非磁性层.

典型效应：（巨磁阻效应）电阻随磁场的变化.未加磁场时,由于在制备自旋阀时,基片上外加一偏置磁场,

两磁性层磁矩平行排列,这时自旋阀电阻小.在外加反向磁场的作用下,自由层首先发生磁

化反转,两磁性层磁矩反平行排列,自旋阀电阻大.自旋阀电阻大小取决于两铁磁层磁矩(自

旋)的相对取向,故称为自旋阀.自由层反转磁场由其各向异性场和通过非磁性层产生的耦

合作用引起的矫顽场(Hc1)和零漂移场(Hf)决定.这里零漂移场指由钉扎层和反铁磁层引起

自由层磁滞回线的漂移.当外磁场超过由反铁磁层交换耦合引起的偏置场时,钉扎层发生磁

化反转,自旋阀电阻变小。

各层作用：为了降低饱和磁场和提高巨磁电阻效应,两铁磁层选取不同的成分.自由层选取矫顽力小的软

铁磁性材料,而钉扎层选取自旋相关散射大的材料

电子自旋发展现状 磁电子

两软铁磁层（F1,F2)被一较厚的非铁磁层（如Cu）分开，致使F1和F2层间退耦合。由于非

磁层的磁屏蔽作用，自由层（F1）磁化强度（M1）的取向可以在弱磁场（如10Oe）下改变相

对于F2的磁化强度（M2）的取向；相反，另一铁磁层F2的磁化强度M2则被与其相邻的反

铁磁层交换耦合作用导致的单向各向异性所钉扎，而难以改变方向。所以，如上图（c）所示，

在外界磁化信号的作用下，自由层和固定层间的磁化相对取向在平行与反平行间发生变化，

从而分别呈低阻和高阻态。自旋阀具有耦合型多层膜GMR（高的磁电阻比）和软磁坡莫合金

（弱场高灵敏度）的优点，在几Oe下，即可获得2%~5%的磁电阻。

应选择饱和磁场尽可能低的高质量软磁材料制作自由层，以便使自由层的磁化取向在很低的

磁场下实施反向，从而改善磁电阻对信号磁场的响应特性。

5.巨磁阻磁头

(1) 磁阻磁头的结构示意图,及TFI磁头和MR磁头各自的功能

(2) 巨磁阻磁头数据读出的工作原理 （1） 结构示意图如右图：FTI磁头功能：记录；MR磁头功能：读出。

（2） 实用的 MR 读出磁头采用三层结构，一层是读取磁盘信息的 MR 层，一层是为 MR 层

产生偏置场的 SAL （软相邻）层，中间一

层为间隔层。软相邻层负责极化电流，借着

改变该层磁场相对于 MR 层磁场的方向，可

以调整 MR 层电流流动的难易，提高 MR

磁头的灵敏度。

当 MR 磁头掠过不同极性的小磁极时，磁阻

的变化能呈现 “ 增 ” 和 “ 减 ” 两种不同状态，

利用检测电路便可获得方向相反的电信号。

6.

平面磁记录和垂直磁记录介质

(1) 要求符合的条件

(2) 举例常见的磁记录介质材料：磁盘，光盘，磁卡，磁带。

（1）(1)饱和磁感应强度(Bs)高，以提高磁头气隙磁场，增强磁记录介质的磁化强度，避免磁头极尖的饱

和现象。(2)在使用频率内，导磁率(μ1)高，以提高重放灵敏度和信噪比(S/N)，减少记录磁头的输入功率，增加磁头气隙磁场。(3)矫顽力(Hc)小，剩磁(Br)小，以便减少磁化噪音和磁滞损耗。(4)电阻率(p)高，减少记录和重放时的涡流损失，改善高频特性。(5)磁致伸缩系数(λs)小，避免树脂封接后的性能恶化，减少噪声。(6)磁性温度稳定性和时间稳定性好。(7)耐磨性和耐腐蚀性好，保证磁头使用寿命。(8)必须具有良好的加工性，不仅能满足高精度成形的要求，还能适合大批量机械化生产，且成本低。磁头材料主要有磁性合金和软磁薄膜两种。

（2）磁记录材料主要分磁带、磁盘两大类以及磁鼓、磁泡、磁光盘等。磁带又分为录音磁带、录像磁带、

计算机磁带和仪器磁带，磁盘又分为硬磁盘和软磁盘。其中，录音磁带按使用的磁性材料又可分为：氧化铁磁带、铬带、铁铬带、铁钴带以及金届带等。

7. Julliere的公式及其简单计算

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8. 磁性存储器

(1) 磁性随机存储器（MRAM）相对于其他存储器的优点

(2) MRAM进行数据读出的基本过程和机理分析

(3) 基于隧道结的MRAM目前还存在的问题和挑战

（1）MRAM最大的特点是非挥发性（Non-Volatile）。所谓非挥发性是指断电后存储的图象、声音和数

据不丢失的特性。硬盘就是历史较久的非挥发存储器，而半导体动态随机存储器（DRAM）则是挥发性的器件。 MRAM之所以速度快是因为磁性体磁化方向的反转速度快。另外，由于改变磁化方向的次数没

有限制，因此写入次数就为无限次。

功耗低；数据存储可靠持久；存取速度快；宽温度范围，耐恶劣环境；密度高，重量轻，尺寸小。

（2）

在图3中，反铁磁层和钉扎层用作记录“1”和“0”，当字线电流（Iw）方向为正时（电流方向由里

向外），其电流大小使导线周围形成的圆磁场超过反铁磁层的矫顽力时，称为记录“0”，反之，当字线电流为负（电流方向由外向里），使反铁磁层的磁化方向相反，称为记录“1。”读出时，在字线中通以正、负极性的、能使自由层改变方向的读出电流（IS）。当读“0”时，自由层和钉扎层自旋之间由反平行到平行，磁电阻由大变小，读出信息（VS）为负；当读“1”时，磁电阻由小变大，VS为正。这个过程可以是不破坏的，在进行了3亿次读出后，信号不会发生任何变化。 MRAM和半导体RAM相比其最大特点是非挥发性（非易失）、抗辐射、长寿命、低成本。由于GMR材料的使用，每位尺寸的减小并不影响读出信号灵敏度，可以获得最大的存储密度，结构简单，制作工艺也得以简化。

（3）缺点是因此难以减小单元尺寸，因此不易实现大容量。

9.

自旋晶体管

(1) 自旋阀晶体管（SVT）结构；(2) 描述SVT中自旋热电子的输运过程

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