Spinelektronik. Vorlesungsskript zur Vorlesung im SS Prof. Dr. Rudolf Gross und Dr. Achim Marx

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1 Spinelektronik Vorlesungsskript zur Vorlesung im SS 2004 Prof. Dr. Rudolf Gross und Dr. Achim Marx Walther-Meissner-Institut Lehrstuhl für Technische Physik (E23) Walther-Meissner-Strasse 8 D Garching Rudolf.Gross@wmi.badw.de c Rudolf Gross Garching, April 2004

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3 Inhaltsverzeichnis Vorwort 9 Einleitung 1 I Grundlagen 9 1 Grundbegriffe und Messmethoden Grundbegriffe des Magnetismus Messmethoden Spinabhängiger Transport Magnetoresistive Effekte ein phänomenologischer Überblick Der positive Magnetwiderstand Der negative Magnetwiderstand Streuung an Spinunordnung Der anisotrope Magnetwiderstand AMR Der Riesenmagnetwiderstand GMR Der Tunnelmagnetwiderstand TMR Der kolossale Magnetwiderstand CMR Elektrischer Transport in unmagnetischen Metallen Boltzmann-Gleichung und Relaxationszeit Elektrische Leitfähigkeit Magnetwiderstand und Hall-Effekt im Einbandmodell Vertiefungsthema: Magnetwiderstand und Hall-Effekt im Zweibandmodell Streuprozesse Streuprozesse in dünnen metallischen Schichten Elektrischer Transport in magnetischen Metallen

4 4 R. GROSS UND A. MARX INHALTSVERZEICHNIS Experimentelle Beobachtungen Das Zwei-Spinkanal-Modell Streuung in magnetischen Systemen Streuung von Leitungselektronen an lokalisierten magnetischen Momenten Vertiefungsthema: Der Kondo-Effekt Vertiefungsthema: Einfluss der Leitungselektronen auf lokale magnetische Momente Vertiefungsthema: Der Kondo-Widerstand Hall-Effekt in ferromagnetischen Metallen II Magnetoresistive Effekte 83 3 AMR-Effekt Experimentelle Beobachtungen Anschauliche Erklärung des AMR Widerstandstensor und AMR-Effekt Anwendungsaspekte Außergewöhnlicher Hall-Effekt CMR-Effekt Experimentelle Beobachtungen Kristallstruktur Toleranzfaktor Vertiefungsthema: Ruddlesden-Popper-Serie Elektronische Struktur Das Kristallfeld Jahn-Teller-Effekt Grundlagen zur magnetischen Struktur Experimentelle Beobachtungen Der Superaustausch Vertiefungsthema: Ladungstransfer- und Mott-Hubbard-Isolatoren Die Goodenough-Kanamori-Anderson Regeln c Walther-Meißner-Institut

5 INHALTSVERZEICHNIS SPINELEKTRONIK Der Doppelaustausch Elektrische Transporteigenschaften Temperatur- und Magnetfeldabhängigkeit des spezifischen Widerstands Skalenverhalten des CMR-Effektes GMR-Effekt Zwischenschicht-Austauschkopplung Experimentelle Beobachtungen Kopplungsarten Phänomenologische Beschreibung der Zwischenschichtkopplung Mikroskopisches Modell der Zwischenschichtkopplung RKKY-Wechselwirkung Der Riesenmagnetwiderstand Einfache Modellvorstellungen Intrinsischer GMR Extrinsischer GMR Skalenverhalten des GMR Anwendungsaspekte Spinventile Austausch-Anisotropie Phänomenologische Beschreibung der Austausch-Anisotropie Theoretische Modelle zur Austausch-Anisotropie Realisierung von Spinventilen Optimierung des magnetoresistiven Effekts von Spinventilen Wahl des Antiferromagneten TMR-Effekt Theoretische Behandlung des Tunnelns von Elektronen Elastisches Tunneln durch eine eindimensionale rechteckförmige Barriere zeitunabhängiger Ansatz Vertiefungsthema: Elastisches Tunneln durch eine eindimensionale rechteckförmige Barriere zeitabhängiger Ansatz Vertiefungsthema: Elastisches Tunneln durch eine eindimensionale Barriere beliebiger Form WKB-Näherung

6 6 R. GROSS UND A. MARX INHALTSVERZEICHNIS Elastisches Tunneln in planaren Metall/Isolator/Metall-Kontakten Vertiefungsthema: Tunneln unter Berücksichtigung des Bildpotenzials Bandstruktureffekte beim elastischen Tunneln Vertiefungsthema: Resonantes Tunneln NIN- und NIS-Kontakte Ferromagnet/Isolator/Supraleiter-Kontakte Zeemann-Aufspaltung der Quasiteilchen-Zustandsdichte in Supraleitern Zustandsdichte und Spinpolarisation in Ferromagneten Ferromagnet/Supraleiter-Kontakte: Andreev-Reflexion Andreev-Streuung an Metall/Supraleiter-Grenzflächen Andreev-Streuung an Ferromagnet/Supraleiter-Grenzflächen FM/I/FM-Tunnelkontakte Jullière Modell Weiterentwicklungen des Jullière-Modells Experimente zu FM/I/FM-Tunnelkontakten Untersuchung und Verbesserung der Barriereneigenschaften Temperatur- und Spannungsabhängigkeit des JMR Dotierung der Tunnelbarriere FM/I/FM Tunnelkontakte mit nichtmagnetischen Zwischenschichten Grenzflächeneffekte und Vorzeichen der Spinpolarisation Neue Materialsysteme Rastertunnelmikroskopie Inelastisches Tunneln Inelastisches Tunneln mit Wechselwirkungsprozessen in der Barriere Inelastisches Tunneln mit Wechselwirkungsprozessen in den Tunnelektroden Tunneln über Zwischenzustände Glazmann-Matveev Modell Tunneln durch ferromagnetische Barrieren Spinfilter Austauscheffekte an Grenzflächen zu Ferromagneten EMR- und BMR-Effekt Der ballistische Magnetwiderstand Punktkontakte Ballistischer Magnetowiderstandseffekt in Nanokontakten BMR-Effekt: Artefakte c Walther-Meißner-Institut

7 INHALTSVERZEICHNIS SPINELEKTRONIK 7 III Spininjektion und Spintransport 289 IV Materialien für die Spinelektronik 291 V Anwendungen XMR-Effekte Anwendungen Sensoren GMR Sensoren Anwendungen von GMR-Sensoren Magnetoresistive Leseköpfe Design von Lese- und Schreibköpfen Magnetic Random Access Memory MRAM Geschichtlicher Hintergrund MRAM basierend auf AMR und GMR MRAM basierend auf Spinventilen MRAM basierend auf magnetischen Tunnelkontakten Ansteuerkonzepte für MRAMs VI Quanten-Spinelektronikk 331 VII Appendix 333 A Literatur B SI-Einheiten B.1 Geschichte des SI Systems B.2 Die SI Basiseinheiten B.3 Einige von den SI Einheiten abgeleitete Einheiten B.4 Vorsätze B.5 Abgeleitete Einheiten und Umrechnungsfaktoren C Physikalische Konstanten

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9 Vorwort Das vorliegende Skript ist eine Zusammenstellung des Stoffes zum Themengebiet Spinelektronik und richtet sich an Studierende der Physik und der Elektrotechnik nach dem Vordiplom. Das Skript entstand aus einer Vorlesung an der Universität zu Köln im WS 1999/2000 für Studierende der Physik und Mathematik und einer ab dem WS 2000/2001 an der Technischen Universität München angebotenen Spezialvorlesung. Die vorliegende Stoffzusammenstellung soll sowohl eine Einführung in die physikalischen Grundlagen zu dem sehr aktuellen Forschungsgebiet Spinelektronik geben als auch die Funktionsprinzipien von spin- oder magnetoelektronischen Bauelementen, Herstellungsverfahren und aktuelle Anwendungen vorstellen. Wir danken Dr. Dieter Kölle, Universität zu Köln, Dr. Patrick Wagner, Katholieke Universiteit Leuven und Dr. Hermann Kohlstedt, Forschungszentrum Jülich, für ihre Mitarbeit bei der ersten Vorlesung im WS 1999/2000 an der Universität zu Köln. Wir danken ferner Dr. Daniel Bürgler, Prof. Peter Grünberg, Dr. Dirk Grundler, Dipl.Phys. Christian Waldenmaier, Dr. Joachim Wecker und Dr. Sven Uhlenbruck für nützliche Diskussionen, Hinweise und zur Verfügung gestelltes Material. Das Vorlesungsskript wurde im Laufe der Vorlesung des Wintersemesters 2000/2001 und des Sommersemesters 2001 vervollständigt und seither ständig weiterentwickelt. Es enthält in der jetzigen Form aber ohne Zweifel noch einige Fehler. Die Autoren sind für Hinweise auf solche Fehler dankbar ( Garching, April 2004 R. Gross und A. Marx 9

10 10 R. GROSS UND A. MARX VORWORT. c Walther-Meißner-Institut

11 Teil I Grundlagen 9

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14 Teil II Magnetoresistive Effekte 83

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17 Teil III Spininjektion und Spintransport 289

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19 Teil IV Materialien für die Spinelektronik 291

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21 Teil V Anwendungen 293

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24 Teil VI Quanten-Spinelektronikk 331

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26 Teil VII Appendix 333

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