磁性多層膜巨磁電阻效應理論

摘 要:簡要概述了磁性多層膜結構巨磁電阻效應的現有主要理論。對唯像理論、Boltzmann輸運方程理論和量子理論的相關工作進行了總結評述。

關鍵詞:磁性多層膜材料巨磁電阻效應理論

中圖分類號:O48文獻標識碼: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生巨幅響應，在信息存儲等領域具有十分重要的應用前景。自20世紀80年代在(Fe/Cr)N多層膜中發現起，GMR研究便倍受關注，連續膜、顆粒膜等高GMR磁性多層膜結構材料及GMR磁場傳感器等器件不斷涌現。同時巨磁電阻效應理論的研究也取得了長足發展，唯像理論、半經典理論和量子理論均相繼構建，使多層膜結構材料GMR的眾多問題得以分析，為GMR多層膜材料設計提供了理論基礎。本文概要介紹以上理論。

1 唯像基本理論

多層膜結構材料GMR唯像基本理論是后續高級理論的物理基礎，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，認為多層膜磁層內電子分為自旋向上和自旋向下兩類，相鄰磁層內磁矩反平行排列。磁矩對反方向自旋電子的散射作用強于同方向自旋電子，無外場作用時多層膜內電子不能連續穿越兩個磁層，體系呈高電阻;外場作用下，體系內磁矩趨向外場方向，導致體系內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小于傳導電子的平均自由程，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起源的基本機制，但只考慮了磁層內部體散射的作用。Camley等通過對(Fe/Cr)N多層膜的Boltzmann輸運方程的計算發現增加體系層數及電子平均自由程同膜厚度比值可增強GMR效應強度，表明界面散射在GMR中起到重要作用，其機制為界面導致的層間自旋作用勢差異。增加界面粗糙度既可提高層內電流模式(CIP)GMR的強度還能提高(CuFe)1-xCrx體系反巨磁電阻效應(IGMR)出現的可能性。

Johnson等發現多層膜內起散射作用的界面不應是突變的，而應是具有一定厚度的混合界面，且混合層內量子界面效應在GMR效應中可能存在重要作用。在該結構模型中，CIP模式GMR的必要條件之一與GMR唯像理論結論一致，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律下降。

3 量子理論

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

GMR量子理論可分為Kubo線性響應方程和Landau-Buttiker散射機制兩類。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分布散射體對電子的自旋依賴散射行為，表明當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，進一步確認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產生中并非必須;CIP和CPP模式GMR在尺寸效應上存在差異;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致非單調GMR，而CPP模式卻是單調的，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，成功重現了多層膜GMR振蕩現象，指出次能帶和自旋隧道對材料導電性皆有貢獻，且Bolzmann輸運方程理論同量子理論存在必然聯系，得到了實空間Kudo理論的支持。

GMR的Landau-Buttiker散射機制認為導電性同體系導電通道數量成正比，而導電通道數量可由外場調節，CPP模式GMR源于導電通道數量變化，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，后者又可分為鏡面散射和漫散射兩種機制，低漫散射率對應高GMR，GMR極限值可由Julliere方程給出。

Landau-Buttiker電子散射機制還可將Boltzmann半經典理論同Kudo量子理論聯系起來。基于此，Rychkov提出的GMR連續隨機矩陣理論成功描述了自旋閥的自旋積累和自旋磁矩行為，認為自旋積累同自旋電流梯度成正比，當高極化磁層內自旋電流大于低極化磁層內自旋電流時，自旋磁矩運動形式為波。

4 結語

多層膜巨磁電阻效應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。磁隧道結構的提出給GMR理論研究又提出了新挑戰，多層膜巨磁電阻效應理論的研究工作仍有待深入進行。

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