磁性工学特論第6回磁気と電気伝導

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ゆあさくいし
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1 磁性工学特論第 6 回磁気と電気伝導佐藤勝昭

2 復習コーナー ( 第 5 回の問題 ) 反磁性体は磁界の変化を妨げるように逆向きの磁化を生じるそれではなぜ強い静磁界のもとで反磁性体を浮かせることができるのか単位質量あたりの反磁性磁化率を χ=-χ d とする磁化 M が磁界 B の中にある時のポテンシャルエネルギーは E=-M B であるから力は E の距離微分 F=-MdB/dz で与えられる M =-χ d B であるから単位質量あたりの力は F=χ d (B/μ 0 )db/dz 従って g=χ d (B/ μ 0 )db/dz のとき釣り合うすなわち磁界の勾配があると上向きの力が働いて重力とつり合い浮上する

3 反磁性物質の磁場浮上磁気浮上とは磁気浮上状態の基礎物性も重要磁気力 (1/μ 0 )χb(db/dz) 重力 g ハイブリッドマグネット反磁性物質に働く磁気力が重力と釣り合うほど大きくなると物質は浮上する横浜国大山口

4 磁気と電気伝導ホール効果磁気抵抗効果

5 磁気抵抗効果 MR(magnetoresistance) 半導体半金属における正のMR: ローレンツ力磁性半導体に見られる負のMR: スピン無秩序散乱強磁性体の異方性磁気抵抗 AMR 磁性体 / 非磁性体 / 磁性体構造の巨大磁気抵抗 GMR 磁性体 / 絶縁層 / 磁性体構造のトンネル磁気抵抗 TMR 強相関系酸化物の巨大磁気抵抗 CMR

6 半導体半金属の MR Δρ=ρ(B)-ρ(0) 磁気抵抗効果 MR= Δρ/ρ(0)=M t B 2 ここに M t は横磁気抵抗係数磁界の 2 乗に比例する正の磁気抵抗ホール効果と同じように Lorentz 力によって電子の軌道が曲げられることの 2 次の効果である電子の散乱までの平均自由時間 τ に異方性があると τ 2 τ 2 になり磁気抵抗効果が生じる

7 ビスマスの巨大な正の磁気抵抗効果 tml Very Large Magnetoresistance and Field Sensing Characteristics of Electrodeposited Single-Crystal Bismuth Thin Films F. Y. Yang, Kai Liu, Kimin Hong, D. H. Reich, P. C. Searson. and C. L. Chien (John Hopkins Univ.)

8 磁性半導体の負の巨大磁気抵抗効果 CdCr 2 Se 4 などの第 1 世代の磁性半導体ではキュリー温度付近でスピン無秩序散乱による巨大磁気抵抗効果が報告されている

9 強磁性体の異方性磁気抵抗効果 (AMR) 上向き及び下向きスピンバンドとスピン依存散乱の見地から解釈される抵抗率テンソルは次の形に書ける ρ ( B) ρh ( B) 0 [ ρ ] ij = ρh ( B) ρ ( B) 0 ρ ( B) 0 0 // この形は次式に対応するここに J は電流ベクトル a は磁化 M の向きを表す単位ベクトルである ( ) [ ( ) ( )][ ] ( ) // H E = ρ B J+ ρ B ρ B α J α + ρ B α J

10 異常ホール効果と異方性磁気抵抗効果 ρ ρ ρ // H ( 0 ( E) = ρ ) + ρ ( B) ( 0 ( E) = ρ ) // + ρ// ( B) ( 0 ( E) = ρ + ρ ) ( B) H H 第 1 項 : 磁化 M にのみよる項 ; 異常項第 2 項 : 実効磁束密度 B に依存する項 ; 正常項 ρ // は電流が磁化に平行である場合の抵抗率の B 0 外挿値 ρ は電流が磁化に垂直である場合の抵抗率の B 0 外挿値 ρ H は異常ホール抵抗率である一般に ρ // ρ であるこれは抵抗が磁化 M と電流 J の相対的な向きに依存していることを示している

11 AMR の説明 M θ J 図 1 図 1 に示すような配置を考え M と J のなす角度を θ とすると MR 比を求めると 0 図 2 ρ // ρ H Δρ = ρ ρ// 1 ρ// 3 ρ 2 + ρ 3 磁気抵抗比の符号は正負どちらも取りうる大きさは 2-3% 程度である

12 2 流体電流モデル (two current model) スピン依存の散乱ポテンシャルを考え電流はスピンとスピンの伝導電子 [1] によってそれぞれ独立に運ばれると考える散乱によって s 電子が d 電子帯に遷移するがスピン d 電子帯とスピン d 電子帯では空の状態密度が異なるため s 電子はスピンの向きに応じて異なった散乱確率を感じることになる [1] 全磁化と平行な磁気モーメントを持つ電子 ( 多数スピンバンドの電子 ) をで表し反平行なもの ( 少数スピンバンドの電子 ) をで表す

13 Fe のスピン偏極バンド構造

14 バンドと磁性 Ef Ef Ef 交換分裂通常金属強磁性金属ハーフメタル

15 スピン軌道相互作用と AMR スピンに対する抵抗率をスピンに対する抵抗率をとすると全体の抵抗率は Δρ/ρ=ρ ρ /(ρ +ρ ) で表されるいま単純な 2 流体モデルを考えスピン軌道相互作用を用いて異方性磁気抵抗効果を説明することが行われているこれによれば異方性磁気抵抗比は Δρ/ρ=(ρ//- ρ )/ ρ=γ(ρ /ρ -1) と表されるここに γ はスピン軌道相互作用係数である単純遷移金属遷移金属合金における実験結果の多くはこの式で説明できる

16 巨大磁気抵抗効果 (GMR) 1988 年に Fert らのグループは Fe/Cr など磁性金属 / 非磁性金属の人工格子において大きな磁気抵抗比をもつ磁気抵抗効果を発見した Baibich らが報告する磁化と磁気抵抗効果の対応 [i] によれば Cr の層厚を変化することによって磁気飽和の様子が変化するが磁気飽和のしにくい試料において低温で 50% におよぶ大きな磁気抵抗比 R(H)/R(H=0) が見られている室温でもこの比は 16% におよび巨大磁気抵抗効果 (GMR=giant magnetoresistance) と名付けたこの後同様の GMR は Co/Cu のほか多くの磁性 / 非磁性金属人工格子グラニュラー薄膜などで発見された [i] M.N. Baibich, J.M. Broto, F. Nguyen Van Dau, F. Petroff, P. Etienne, G. Creuset, A. Friederich and J. Chazelas: Phys. Rev. 62 (1988) 2472.

17 層間結合系の巨大磁気抵抗効果 ( GMR ) スピン依存散乱 MR ratio R(H)/R(0) Fe Cr Baibich et al.: PRL 62 (88) 2472 H (koe)

18 GMR と AMR の違い GMRが異方性磁気抵抗効果 (AMR) と異なる点は (1) 磁気抵抗比が桁違いに大きい (2) 抵抗測定の際の電流と磁界の相対角度に依存しない (3) 抵抗は常に磁界とともに減少するという3 点であるこのような点はスピン軌道相互作用のみでは説明できない

19 GMR 振動と層間結合 Co/Cu superlattice MR ratio (%) Cu thickness (Å) Mosca et al.: JMMM94 (91) L1

20 非結合系の GMR ソフト磁性体とハード磁性体との 3 層構造 M 自由固定 NiFe Cu Co MR Shinjo et al.: JPSJ 59 (90) 3061 H (Oe)

21 NiFe(free)/Cu/NiF e(pinned)/af(fem n) の非結合型サンドイッチ構造スピンバルブ NiFe free Cu NiFe pinned 交換バイアス AF layer (e.g. FeMn) 最近は SAF に置き換え

22 スピン依存トンネル効果とトンネル磁気抵抗効果 (TMR) FM2 current FM1 I FM2 voltage FM1 insulator current 強磁性体 / 絶縁体 / 強磁性体構造磁気トンネル接合 (MTJ) M. Julliere: Phys. Lett. 54A, 225 (1975) S. Maekawa and V.Gafvert: IEEE Trans Magn. MAG-18, 707 (1982) Y.Suezawa and Y.Gondo: Proc. ISPMM., Sendai, 1987 (World Scientific, 1987) p.303 J.C.Slonchevsky: Phys. Rev. B39, 6995 (1989) T. Miyazaki, N. Tezuka: JMMM 109, 79 (1995)

23 トンネル磁気抵抗効果 (TMR)

24 TMR デバイス絶縁体の作製技術が鍵を握っている最近大幅に改善 TMR ratio as large as 45% was reported. (Parkin: Intermag 99) Bias dependence of TMR has been much improved by double tunnel junction. (Inomata: JJAP 36, L1380 (1997))

25 MgO 絶縁層を用いた MTJ 産総研の湯浅らは MTJ の絶縁層として非晶質 Al2O3 に代えて MgO 結晶を用いることによって波動関数の接続性が改善され巨大 MR が得られるという Butler の理論予想に従い Fe/MgO/Fe 構造を作製した Japanese Journal of Applied Physics Vol. 43, No. 4B, 2004, pp. L 588L 590

26 Fe/MgO/FeMTJ に見られる GMR Japanese Journal of Applied Physics Vol. 43, No. 4B, 2004, pp. L 588L 590

27 Fe/MgO/Fe 構造の TEM 像 Fe(001)/MgO(001)/F e(001) がエピタキシャルに成長しておりトンネル層の乱れがほとんどない構造を得ているまた界面での Fe 酸化層も見られていない Nature Materials 3, (2004)

28 室温で 180% もの MR 比

29 TMR を用いた MRAM ビット線とワード線でアクセス固定層に電流の作る磁界で記録トンネル磁気抵抗効果で読出し構造がシンプル

30 CMR (colossal magnetoresistance ) 強相関電子系に見られる大きな磁気抵抗効果例 :Pr 0.7 Ca 0.3 MnO 3 磁気誘起の金属絶縁物転移と考えられる何桁にも及ぶ電気抵抗の変化が見られる

31 anese/event/japannano2003/ web/itbasis/it_tokura1.pdf

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Microsoft PowerPoint - summer_school_for_web_ver2.pptx スピン流で観る物理現象大阪大学大学院理学研究科物理学専攻新見康洋スピントロニクスとはスピンエレクトロニクスメモリ産業と深くつながているメモリ産業と深くつながっているスピンハードディスクドライブの読み取りヘッド N 電荷 -e スピンの流れピの流れスピン流 S 巨大磁気抵抗効果 ((GMR)) from http://en.wikipedia.org/wiki/disk_readand-write_head

磁性工学特論 第6回 磁気と電気伝導

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