單自旋金屬材料的性質(zhì)與應用

1、罩自旋金Jg材料的性K輿鷹用文/弓II虎瑞、南榮澳摘要罩自旋金H(half-metal)的概念首先由deGroot等人所提出。iMI新材料的特性在於自旋向上典自旋向下的重子具有不同的醇甯特性。一自旋方向的霜子呈現(xiàn)金JS的醇重特性。而另一自旋方向HU呈現(xiàn)半或余色的特性。而在造槿具有百分之百自旋趣化的材料中，所有的醇霜霜子自旋皆朝同一方向。道槿同日寺具有金匾輿能帶特性的材料可以被視懸一槿新型魅的材料，而它多特有的性也被IS卷在制元件及自旋甯子阜的鷹用上趣具潛力。一、起傅統(tǒng)的重子元件只使用霜子的重荷，而忽略了霜子的自旋特性。1988年，由於巨磁阻(giantmagnetoresistance,GMR

2、)W,利用到重子自旋特性的自旋重子啟攵了序幕。在巨磁阻的多Jf結(jié)橫中，雨JfIB茲性材料中著一Jf一般金匾如銅，利用道甬)1磁性材料彼此之磁化方向的巽同，雷;子的自旋相依散射(spin-dependentscattering)曾造成磁阻的巨大燮化。在金戴磁典一般金匾的不互溶H粒狀合金(granularalloys)中，譬如船和金艮也可以覲察到巨磁阻效鷹。而利用反磁偶合及巨磁阻所形成的自旋(spin-valve)MW,目前已鷹用在硬碟的mIM中。在1995年，雨Jf至載磁性材料中著一Jf余色Jf的結(jié)橫在室溫底下被褻現(xiàn)具有比巨磁阻遢要大的穿隧磁阻(tunnelingmagnetoresistanc

3、e,TMR)的垣象1O穿隧磁阻的大小是由ft子在磁的趣化率所決定。R(Ra-Rp)2PP2=(1)RRa1PP2其中RP及Ra分別懸IB戴磁)f的磁化平行及反平行日寺的H阻，而P1及P2分別磁)1的自旋趣化率(spinpolarization)。由式中可以看出富自旋趣化率愈高，穿隧磁阻的燮化率也愈大。一般的金載磁材料，其自旋趣化率通常只介於百分之三十到五十之2,3,因此，懸了提高穿隧磁阻的燮化率，善找一槿具有高自旋趣化率的磁性材料是非常重要的。近些年來,軍自旋金H(Half-metal)的出琪H基磁物理輿愿用均引起一些重大影警o罩自旋金JS不但有奇特地物理性更具有理想而完美的趣化率，適些特色吸

4、引多科擘家投入新的科擘兢技埸中。目前在中文翻群中美中不足的是謾去semiconductor被考睪成半醇H,而semi-metal也封的言睪成"半金H"。如今真的Halfmetal出琪之彳爰，半金匾的正名冏題在中文群名也就出琨了。本文暫不理曾此一1復親隹的群名卡位冏堰，直接以意言睪的軍自旋金腐代表halfmetal。二、自旋趣化率通常我憑招自旋趣化率定羲成：Nup一NdownP=父100%(2)Nup-Ndown其中，NUp和N°wn分別米能(Fermienergy)附近的自旋向上和向下重子的熊密度。在晶系固It(crystallinesolid)中我便號常用能帶結(jié)

5、橫(bandstructure)以表示雷;子其能量典勤量之的信射系。一般來自旋向上輿自旋向下的重子都有各自的能帶結(jié)橫。但封於非磁性材料，向上和向下的能帶結(jié)情通常是相同的以至於我例可以忽略自旋的特性。圈一所示卷非磁性金磁性金JS以及磁性軍自旋金的能帶結(jié)情o罩自旋金的概念首先由deGroot等人所提出4。在非磁性金腐的能帶結(jié)情中，在費米能卜皆附近自旋向上和自旋向下的狀熊數(shù)目是相等的，使得自旋趣化率卷零；而在磁性金中，由於能帶結(jié)橫的差昊造成傅醇霜子中自旋向上的狀熊數(shù)目大於自旋向下的狀魅數(shù)目，醇致自旋趣化率有一彳固非零的量值。封於軍自旋金材料來只有自旋向上的霜子能帶是部分填滿的，而自旋向下的霜子能帶H

6、U完全填滿，加且輿更高的能帶存在一偃I能隙(bandgap),此日寺費米能位於自旋向上的能帶中，同日寺也位於自旋向下的能隙中。也因此只有自旋向上的霜子才可以醇H,此日寺自旋趣化率懸百分之百4。另外，在軍自旋金匾中，道槿自旋向下霜子的能隙可以防止自旋翻n(spinflip)的彝生，道是因懸在能隙的地方?jīng)]有任何的熊可以存在以至於自旋向上的霜子需額外吸收能量才能翻醇卷自旋向下的重子。(b)(r)圃一：各槿材料的能帶示意圃。(a)非磁性金匾(b)一般磁性金腐罩自旋金匾。三、一些磁性罩自旋金JS材料曾介表一列出一些磁性罩自旋金腐的特性。在露化物中，原子內(nèi)的霜子交換作用造成局域重子的平行排列以及自旋向下的

7、雷子優(yōu)3dfl域排造形成了磁性罩自旋金JS筐生的僚件。典赫斯勒(Heusler)化合物相反，半赫斯勒(semi-Heusler)化合物具有空的晶格位置，道使得3dfl域的波函數(shù)之的重疊較小，以及厚致能隙的崖生。除了半赫斯勒化合物之外，CrO2以及(La1“Srx)MnQ金戴磁!磁性半醇化合物中的磁性去偶合(magnetic性猛化物(manganites)都具有磁性罩自旋金腐的特性。然而，適些材料在高溫底下的1嗔磁熊是非常不同的，3t且有可能曾影警到它俯封熟的相依性。此外，F(xiàn)e3O被視卷一槿至戴氧磁性罩自旋金JSo有BflCrO及Fe3O4的能帶結(jié)橫如圃二所示。其他i(型的磁性罩自旋金腐系統(tǒng)，譬

8、如EuQ有可能是由於decoupling)和能帶交叉(bandcrossing)所生。La0.7Sr0.3MnO(LSMO)在室溫底下具有磁性罩自旋金腐的特性，其自旋趣化率由Andreev反射的方法測得懸78%,而由光雷M射(photoemission)的方法測得懸100%5o因此，在載子入射中，道槿物是作卷自旋趣化重荷的來源最具潛力的材料。超醇/金戴磁的情(heterostructures)早期在八十年代被裂作出來6。富一彳固超醇JfH在一偃1金戴磁上，鄢效鷹(proximityeffect)在超醇/IB茲結(jié)情系統(tǒng)的物理性曾II得很重要。之前的研究II示磁性典超醇在一彳固化合物內(nèi)共存的僚件是

9、需要具有相近的金載磁交換能量已和超醇能隙八。然而，道彳固修件在金載磁和超醇的現(xiàn)材上郤輾法因卷金載磁交換能量Eex通常至少比超醇能隙大雨彳固數(shù)量級。道彳固情?兄，之彳爰是在金戟磁/超醇聚都結(jié)情中，符古柏封(Cooperpairs)由超醇物注入至載磁物1®,而作微小的改建7o俄管如此，自旋趣化的重子由金載磁物注入到超厚物所崖生的古柏封破壤的效鷹，曾隨著金戴磁物中傅醇霜子的自旋趣化量的增加而加弓金。其他有趣的磁性罩自旋金腐材料是形式懸A2BB'O6的氧化物，此慮A土金腐元素(alkalineearthelements)舞卜金丐、銅等等；B和B懸昇僵(heterovalent)的謾渡

10、金H,譬如B卷至戴、金各等等，B'卷金目、金島等等。他憑具有完全趣化的巡游(itinerant)載子和400K以上的高居橙溫度。此性II使得道些氧化物成懸猛化物的可能代替品。造些系統(tǒng)有些已II察到非常大的磁阻。造些曼金丐(doubleperovskite)氧化物的結(jié)橫是由在巖蜜超晶格內(nèi)的有序金喟k堿所成。SrzFeMoO的磁性結(jié)情一般相信是金載磁性的，之中她有由B和B'超晶格之藉由超交換(superexchange)相互作用停遮的反金戴磁藕合。表一：磁罩自旋金JS的物理性II。MaterialUpelectronsDownelectronsTc(K)Nb(Nt-Nj)Polar

11、izationCrO23d-t2g(Cr)396296%Sr2FeMoO63d-t2g(Fe)5d-t2g(Mo)4154100%(La0.7Sr0.3)MnO33d-eg(Mn)3d-t2g(Mn)390<3.7100%Fe3O43d-t2g(Fe)860480%NiMnSbeg(Ni)730450%Energy(eV)40>"擊25三6SSWO工茴UW口50CrOiTO小4d厘0Energy(eV)FeaOa圃二：Cr。及Fe3。的能帶結(jié)情8,9四、磁性罩自旋金JS的基本性It()包和磁化(Saturationmagnetization)在磁性罩自旋金腐中某一自旋方向

12、的甯子具有能隙的特性，醇致磁矩量子化(quantization)假如一偃I原胞(unitcell)內(nèi)具有N偃I雷子，其中有NN偃I自旋向下的重子符其能帶全部填滿，N偃I自旋向上的重子符部分能帶填滿，而造雨槿自旋向上輿自旋向下重子數(shù)目的差昊所造成的自旋浮磁£IM可以表示懸M=MB(N-N【)，"懸波11磁子(Bohrmagneton)的整數(shù)倍，因此可以耦之懸量子化(quantized)。(二)零磁化率(ZeroSusceptibility)彳但t自旋金腐的特殊能帶結(jié)情來看(MH一)，如果要使全滿能帶中自旋向下的雷子跳到費米能附近自旋向上的半填滿能帶，或者是優(yōu)費米能附近自旋向上

13、的半填滿能帶，跳到自旋向下的厚帶，道雨槿謾程皆需要I©外的能量。磁化率(spinsusceptibility)懸磁化(magnetization)封夕卜力口埸的醇數(shù)。而富均勻的外埸施加於罩自旋金JS日寺，系統(tǒng)的狀憨不曾有任何改建，因此罩自旋金匾的磁化率卷零。(三)完全趣化(FullyPolarization)軍自旋金在費米能附近的傅醇霜子具有百分之一百的完全趣化率。在圃三中，自旋向上的重子具於費米能附近具有較大的魅密度，在典的光放射中，可以II察到其II示出在費米能慮有I®似於金腐特性的費米截止頻率(Fermicutoff)10O另外，費米能It自旋向上的重子輿自旋向下霜子

14、傅醇帶底部之有一彳固能量差距。造能量差距表示常自旋向上的霜子翻醇卷自旋向下的重子所需的最小能量。其小於由交換交互作用所造成自旋向下的霜子僵帶輿醇帶之的能隙，加且隨著交互作用的減小而逐漸消失。在低溫的瞬中，封於NiMnSb只有覲察到百分之五十的趣化率11,道可能是由於材料表面不如其內(nèi)部排列有序所造成。早期封於CrO2的光子幅射光if所做的研究未能II察到在費米能附近有II著的重子密度。但最近的結(jié)果II示，在費米能碓位於熊密度的趣小值附近(冕圈三),造輿重子能帶言十算所II示的結(jié)果一致。不謾由於在200°C日寺CrO2在真空中曾分解，因此要裂借一偃I高品表面的CrO2檬品仍然相富的困莫隹

15、。(四)溫度效鷹磁性半若是能別在室溫底下操作，道封崖渠界符曾有很大的影警。在居橙溫度Tc以下，常自旋向下和自旋向上的雨偃I能帶之的差距減少日寺，熟激彝曾破壤磁性半的性11。此日寺磁性半的能隙遽小於居橙溫度TC且在磁化尚未大量減少之前就已襄乎降懸零12o因此，目前最需Ha：典型的軍自旋金能帶結(jié)橫。要的，就是找到一槿居橙溫度較高，能隙較大的磁性軍自旋金(五)停翰性只要自旋向下或自旋向上的其中一偃I能帶被填滿了，偃I別的自旋翻斡就成了非彈性的謾程。低溫下的磁阻是由於自旋波激彝(spinwaveexcitations)所造成的。在溫度接近彳是磁性罩自旋金謾渡到一般至載磁性的溫度日寺，由於一彳固新的自旋

16、翻斡散射通路(spin-flipscatteringchannel)打重阻曾忽然急遽升高。此日寺封溫度的相依性符依循不同的因次信飆系。此外，在磁性罩自旋金腐熊所表琪出來的高平均自由彳空(meanfreepath)和高載子漂移率(carriermobility)是懸一般霍耳效M(normalHalleffect)的行懸，iMI效鷹曾在陶界溫度的日寺候忽然增加13,14o另一方面，CrO28的ft阻續(xù)溫度T的信期系篇P=R+AT2exp(-E/kT),此JtE=80K。磁3/2化輿溫度T的因次信飆系。道槿性的成因目前逮未能了解。低溫下磁性罩自旋金腐的磁阻完全是磁阻是正的，譬如在100K以下測量Ni

17、MnSb的磁阻即懸正值。相反地，在溫度較高日寺，自旋瓢序的部分估侵勢，如此醇致了I!磁阻的崖生。露化合物表現(xiàn)出來的性就未復親隹多了。首先，外加磁埸曾明II地改建其能帶的結(jié)情；止匕外，至戴磁熊的任何授勤，譬如自旋波、自旋醇向、霜子排序等等，曾增加彳摹拿甯子的散射。封Lai-xSrxMnO由於:©旋效H(cyclotroneffect)所造成。此日寺的的軍晶迤行測量15示出ft阻和磁阻在低溫畤曾建得非常小，此日寺重阻和磁阻的量值輿磁性罩自旋金腐憨相容。然而，磁T罩自旋金腐熊在Tc以下即已破囑聚例居心La0.8Sr0.2MnO在尚未到逵陶界溫度Tc(301K)之前，也就是接近200KH寺，

18、ft阻和磁阻曾快速增加。穿隧磁阻奈米接黠自旋注入輿Andreev反射圃四：量測自旋趣化的方法。(六)研究及測量自旋趣化的方法1 .方法有黑槿測定自旋趣化量的方法(冕圃四)，分別介貂如下。自旋解析度的光重樊射(photoemission),是用來測量自旋向上和自旋向下的費米能級霓的狀魅密度相信司的數(shù)目密度之的差距。相封照的是，停輸測定測量未復親隹的平均速度或是速度平方在浮重流方向的投影16o道些瞬包括金戴磁穿隧結(jié)(tunneljunctions),和金戴磁超醇穿隧結(jié)，以及由特殊微影(lithography)技秫所崖生的黑占接斶17,或是金十尖端的超醇(至戴磁)和金戴磁(超醇)材料相接斶2,18。

19、在黑占接斶的例子，以BTK模型(Blonder,Tinkham,andKlapwijk(BTK)model)慎地分析重醇封偏屋的,可決定至戴磁金匾的自旋趣化量P和介面的勢璧弓金度Z。封於一彳固乾浮的黑占接斶而言，勢型!弓金度Z篇零,可由式子G(0)/G(g)=2(1P)而得到自旋趣化量的值。此慮，G(°o)懸遽大於超厚能隙日寺的HSo然而，優(yōu)文獻中可以得知，冏題和困莫隹是可以頸期的。聚例來Fe3OandCrO2不是最穩(wěn)定的熊，3t且容易在表面上斡換成FezQ和Cr2。如何裂借檬品和測量材料真的趣化量是一彳固挑it就倭器方面而言，自旋解析的PES和MC比非常有用的工具，分別可用來測量輿

20、自旋相信司的填滿和未填滿霜子熊。特別是，封估多數(shù)的自旋熊來1,自旋解析的PESim清楚地示了金匾的費米截止能量，而封估少數(shù)的自旋魅而言，它示了其所封鷹的能隙。另一方面，MC地可以提供一槿遹富的方法由求和定期(sumrules)19來得出特定元素的fl道磁矩和自旋磁矩。2 .理的分析方法在自旋趣化穿隧的研究中，穿隧重流的趣化量是由於金戴磁重趣中的自旋向上和自旋向下的傅醇重子之熊密度的Zeeman分裂所造成的。我例可由理算(abinitiocalculation)來研究磁性軍自旋金腐的材料性以及勤熊反鷹，以及用言十新的材料。譬如，聚束(tight-binding)以及理算雷子結(jié)橫(abinitio

21、electronicstructure)方法可用來探言寸磁性罩自旋金腐材料的磁性及傅翰性(七)磁性罩自旋金腐的鷹用用來作卷高自旋趣化率來源的磁性罩自旋金腐材料能別提供趣佳的自旋通道效鷹(spinchannelingeffect)。高自旋趣化率來源和自旋逗攆(spin-selecting)傅醇因此可以大量提高自旋重子元件譬如磁性穿隧結(jié)(magnetictunneljunction)富中自旋相信司的停翰效率。由磁性罩自旋金JS氧化物及遹富的余色氧化物勢堡所橫成的磁性穿隧結(jié)及其元件51期曾在室溫、低埸下具有高磁阻的反鷹，能別提供方典未艾的自旋雷子科技另一!新的逗擇。由磁性罩自旋金JS所造成高度自旋趣

22、化的甯流載子可以鷹用在黑偃I方面上；(i)符其注入一般金腐中可以研究此金匾的自旋散是度spindiffusionlength。(ii)在超厚H內(nèi)，自旋趣化雷:流符曾破壤古柏封cooperpair,寰酷上符自旋趣化雷流注入YBaCuO曾使超醇ft流趣具的下降。(iii)罩自旋金腐可以用以裂作自旋重晶ft20,以崖生趣化甯流或者作卷分析謾濾不同的自旋趣化載子。(iv)捕描穿隧微STM若以罩自旋金腐懸探測金穆M的材料，即可用來解析檬品表面的磁性結(jié)情。而不像傅統(tǒng)的磁性金樣1曾同日寺影警磁化結(jié)情21o相封於一般H月管所慮理的雨槿狀熊0或1,利用軍自旋金腐所裂作的穿隧元件所挑有的四槿狀熊可以作卷一槿嶄新的

23、非揮褻性言己驚醴o用道四槿狀熊的可行性已在NiMnSb/Al2Q/Ni“Feg/CoO的軍自旋金合結(jié)情中被IfIT,如圃五所示。未來一槿可以利用程式來重新言十的中央微慮理器CPU或可以因此而1T琪。(八)未來挑戟卷了保It磁性罩自旋金JS在室溫底下能別保持其自旋趣化率，我例必須找到一槿具有高居橙溫度(Curietemperature)以及寬能隙結(jié)橫的金戴磁物11。把磁性罩自旋金JS置於自旋的雨端，加且裂借良好的材料介面，如此通謾自旋的雷流就可以完全的通謾或阻斷o即使ih茲性罩自旋金JS所提供的雷阻降小於100%,它的親隹比(signal-to-noiseratio)仍是遽大於一般的停統(tǒng)金W道使

24、得磁性罩自旋金JS所裂造出來的元件能別以較低的重屋和較高的速度作。因卷道檄的元件需要的是較高的自旋趣化率，而在一般的操作溫度之下，罩自旋金JS的自旋趣化率的碓遽高於一般金腐，因此只有在低溫才出琪的趣高趣化率的性3t不曾限制軍自旋金匾在自旋或其他元件的鷹用。圃五：在NiMnSb/Al2。/Ni“Fe8心oO結(jié)橫中操作四槿狀熊。置I六:自旋測。通常磁性罩自旋金JS的磁阻是較低的。然而，磁性罩自旋金腐的主要性II,也就是自旋向下的狀憨密度卷零的性,在多Jf的自旋系統(tǒng)中是非常有用的。決定巨磁阻性的重要H數(shù)卷散H度spindiffusionlength、施自旋方向的磁性幕5所封鷹的磁阻、以及介面的自旋相

25、依散射械率。其中最彳爰一項是典費米能卜皆的狀憨密度比值(nt/磁阻效鷹，3t且在反平行的憨日寺ft流有可能被完n1)有信司。在雷；流垂直平面(currentperpendiculartoplane,CPP),以及沒有被非磁性Jf所短路的自旋橫中，51期曾出現(xiàn)最大的巨全阻余自。直至目前懸止，瞬中加入非磁性金匾)1223t未提供另人滿意的結(jié)果，道是由於薄膜中的晶格缺陷、介面的散、載子的去趣化(depolarisation)所造成，也有可能是因懸用來常作金丁扎H(pinninglayer)的硬金戴磁眉所具有的雷阻所造成。另外，仍可生趣化載子郤不具有浮磁矩的反金戴磁罩自旋金蜃I(halfmetalli

26、cantiferromagnets,HMAFs)也是一3K重要的H題oPark等人23最近由理言十算上頸測LaAVRuO(A=Ca,Sr,andBa)由曼交換交互作用doubleexchangeinteraction可以H球I出軍自旋金腐反磁的特性。不謾敘i品郤尚未成功的合成。磁性罩自旋金匾仍然是一力剛同懊起的域，它提供了自旋重子元件一項完美合的可能性。言午多有趣且基本的物理及材料性有待我便號更迤一步樊掘。參考資料：1 J.S.Moodera,L.S.Kinder,T.M.Wong,andR.Meservey,Phys.Rev.Lett.74,3273(1995).2 R.J.SoulenJr

27、.,J.M.Byers,M.S.Osofsky,B.Nadgorny,T.Ambrose,S.F.Cheng,P.R.Broussard,C.T.Tanaka,J.Nowak,J.S.Moodera,A.Barry,andJ.M.D.Coey,Science282,85-88(1998).3 D.J.MonsmaandS.S.P.Parkin,Appl.Phys.Lett.77,720(2000).4 R.A.deGroot,F.M.Mueller,P.G.vanEngen,andK.H.J.Buschow,Phys.Rev.Lett.50,2024(1983).5 J.-H.Park,E.V

28、escova,H.J.Kim,C.Kwon,R.Ramesh,andT.Venkatesan,Phys.Rev.Lett.81,1953(1998).6 P.Grunberg,R.Schreiber,Y.Pang,M.B.Brodsky,andH.Sowers.Phy.Rev.Lett.57,2442(1986).7 V.A.Vas'ko,V.A.Larkin,P.A.Kraus,K.R.Nikolaev,D.E.Grupp,C.A.Norman,andA.M.Goldman,Phy.Rev.lett.78,1134(1997).8 L.Rannoetal.,J.Appl.Phys.81,5774(1997).9 V.I.Anisimovetal.,Phys.Rev.B54,4387(1996).10 D.Sarmaetal.,Phys.Rev.B53,6873(1996).11 G.Bonaetal.,Sol.StateComm.56,391(1985).12 E.KulatovandI.Mazin,J.Phys.Cond.Matter2,343(1990