石墨烯之室溫巨磁阻效應_機理 (#22)

2015-7-22

三十年前，一部電影要放在幾卷膠捲中分部儲存；如今，一個小小的移動硬碟就能存儲幾十部高清電影。科技一直在改變我們的生活方式，其中巨磁電阻效應做了很多貢獻。而未來，或許是新型材料石墨烯的舞台。石墨烯除了具有極高的載流子遷移率，可以做成高表現的場效應晶體管，石墨烯還具有較長的自旋弛豫時間和長度，這使得其在自旋電子學領域內也有著重要的潛在應用價值。但基於純石墨烯的自旋閥其磁阻較低，實驗報道的值只有 10% 左右。二維材料的一個顯著特點是有兩個暴露的表面，從而提供了結構調製的自由度。北京大學在 2012 年通過密度泛涵第一性原理的模擬，發現可以通過在石墨烯的一側進行化學修飾或者兩側進行不同的化學修飾的辦法大大提高石墨烯器件在自旋電子器件上的表現計算表明，該器件的室溫巨磁阻可達 2200 %，比目前實驗上的巨磁阻最高值高一個數量級。該工作為石墨烯材料在自旋電子學領域的應用開闢了新的道路。

巨磁阻效應 (Giant Magnetoresistance, GMR) 是指磁性材料的電阻率在加場較之不加場時存在巨大的變化，通常可以達到 10%，甚至 100% 以上；該效應源於自旋相關散射，多發生於多層膜、自旋閥、顆粒膜、非連續多層膜等材料體系中。巨磁阻效應普遍存在於磁性和非磁性材料中，對非磁性金屬磁電阻的特點是：磁電阻的相對變化率為正（MRn> 0），其值很小（一般MRn< 0. 1%）各向異性，正相對變化率磁電阻效應來源於載流子在運動中受到磁場導致的洛倫茲力，偏離原來的運動軌跡，使電子碰撞幾率增加，引起附加的散射效應，從而使電阻升高。而巨磁阻的特點則恰好相反：巨磁阻的相對變化率為負（MR<0），其值很大，各向同性，巨磁阻效應來源於磁性導體中傳導電子的自旋相關散射。為了使負的磁電阻變化率定義為一個正的物理量，我們定義巨磁電阻應具備

（1）兩類磁化位形﹔

（2）兩自選電流模型適用：磁納米結構尺寸小於自旋擴散長度﹔

（3）界面和雜質散射機理（適當的表面粗糙度）。

巨磁阻效應通常用兩自旋電流模型來描述。當兩個鐵磁層磁矩平行時，兩邊費米能級處自旋向下的電子數都較多，因此在兩個鐵磁／非磁界面受到的散射很弱，是低電阻通道，表示為 2R；相反，自旋向上的電子數較少，因此在兩個鐵磁／非磁界面受到的散射很強，是高電阻通道，表示為 2RH。根據兩自旋電流模型，相應的等效總電阻為2RLRH／（RL+RH）。當兩個鐵磁層磁矩反平行時，左邊鐵磁電極費米能級處自旋向下的電子數較多，對自旋向下的電子，在穿過第一個鐵磁/非磁界面時受到的散射較弱， 是低電阻態，RL；但是在第二個鐵磁層中，自旋向下的電子態密度較少，在鐵磁／非磁界面受到的散射很強，是高電態，RH ，因此，自旋向下的通道的總電阻就是RL+RH。相似的，對自旋向上的電子通道， 電子在兩個界面處分別受到強散射和弱散射，總電阻為 RL+RH。

巨磁阻最重要的應用就在計算機硬碟中。巨磁阻效應的出現使得硬碟讀取信息方式發生了顛覆性的改變，它取代了原有利用電磁感應效應的原理進行讀取的方式。用巨磁阻材料做成的讀寫磁頭相較於前靈敏度大幅提高，相應的，被讀取的介質的存儲密度也越來越大，它使計算機硬碟的容量達到幾百 G 乃至上千 G。如今，巨磁電阻最有前景的應用是磁性隨機儲存器（MagnetoresistancenRandom Access Memmory，MRAM）。MRAM 利用磁性材料的雙穩態特性來儲存信息，用巨磁阻效應來讀出數據，所有的儲存單元都集成到集成電路晶元中，這種儲存器最大的優點是 「非揮發性」 以及 「隨機存儲」。「非揮發性」是指關掉電源後，仍可以保持記憶完整，而 「隨機存取」 是指中央處理器讀取資料時，不一定要從頭開始，隨時可用相同的速率，從內存的任何部位讀寫信息。

nn石墨烯最吸引人的應用便是製作柔軟透明電極。在日常生活的許多地方，如顯示器，秒錶，都需要用上透明電極，而目前所使用的材料是氧化銦錫（ITO），由於銦元素在地球上的含量有限，價格昂貴，且毒性很大，質地很脆。石墨烯恰好滿足我們透明、導電性好、容易製備等要求，適合做氧化銦錫的替代品。且石墨烯本身柔軟度好，非常適合用來做可摺疊的顯示設備。利用石墨烯獨特的光學性質，可以做出新型的光電感應設備。由於在整個可見光到紅外的波長範圍內都可以吸收入射光的 2.3%，吸收的光會導致載流子（電子和空穴）的產生，這使得石墨烯很合適用來做超快的光電感應設備。據估計，這樣的光電感應設備有可能能以 500 GHz 的頻率工作，用於信號傳輸的話，可以在 1 秒內完成兩張藍光光碟內容的傳輸。由於石墨烯還有超高的比表面積，它還可以用作超級電容器以及能量儲存等方面。
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