文獻回顧

本實驗主要在探討的現象為異向性磁阻(anisotropic magnetoresistance, AMR)，

在量測鐵磁性導體塊材(bulk)的磁阻時，我們可以在磁場與電流平行和垂直的兩 個方向上看到異向性磁阻(AMR)的現象，其中電流與磁場平行的電阻(ρ

‖

，如下 圖(a))會大於電流與磁場垂直的電阻(ρ

^⊥

，如下圖(b))，而在磁場與電流垂直的 平面上旋轉時所量測的磁阻為定值。

圖 3-1. AMR 示意圖

當所量測鐵磁性導體塊材改為薄膜材料(thin film)時，我們一樣可以在磁場 與電流平行和垂直的兩個方向上看到異向性磁阻(AMR)的現象，其中電流與磁場 平行的電阻(ρ

_L

)一樣會大於電流與磁場垂直的電阻(ρ

_T

, ρ

_P

)；但是在磁場與電 流垂直的平面上旋轉所量測的磁阻中，磁阻不再為一定值，其中磁場平行膜面的 電阻(ρ

_T

，如下圖(a))會大於磁場垂直膜面的電阻(ρ

_P

，如下圖(b))，此現象稱為 幾何尺寸效應(geometrical size effect, GSE)[5,15]，Woosik 等人以 Potter 的理論[16]

為基礎，考慮在薄膜結構中少數自旋(minority spin)電子的 sd 散射(sd-scattering)，

計算磁場在不同方向上的電阻率解釋幾何尺寸效應(GSE) [5]。

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圖 3-2. GSE 示意圖

2011 年 Oepen 團隊在 Pt/Co/Pt 的三明治薄膜結構發現，此結構在磁場與電 流垂直的平面上旋轉所量測的磁阻中，會看到磁場平行膜面的電阻(ρ

_T

)小於磁場 垂直膜面的電阻(ρ

P

)的現象[6]，此現象與單層鐵磁性薄膜的幾何尺寸效應(GSE) 趨勢相反(如下圖)。

圖 3-3. AIMR 示意圖 (摘自[6])

他們改變了 Pt/Co/Pt 三明治薄膜結構中 Co 的厚度(t

_Co

)，發現當 Co 的厚度小 於 7 nm 時，此現象的磁阻大小變化的百分比(

^{𝛥𝜌 𝑜𝑝}

𝜌

)會隨著 t

Co

變厚而增加，而且 與異向性磁阻(AMR)的磁阻變化的百分比(

^{𝛥𝜌 𝑖𝑝}

𝜌

)變化趨勢接近，然而當 Co 的厚度

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大於 7 nm 時，

^{𝛥𝜌 𝑜𝑝}

𝜌

會以正比於

¹

𝑑 _𝐶𝑜

的趨勢遞減，他們認為這表示此特殊的磁阻現 象與 Co 層的內部無關，所以代表這個現象是由 Co/Pt 的界面所造成的，並將此 現象命名為異向性界面磁阻(anisotropic interface magnetoresistance, AIMR)。

圖 3-4. AIMR 趨勢圖 (修改自[6])

2012 年，美國 Johns Hopkins 大學錢嘉陵(C. L. Chien)教授的團隊在成長於 釔鐵石榴石(YIG)的 Pt 薄膜上做磁阻的量測，並且在磁場平行電流和磁場垂直電 流且平行膜面這兩個方向上量測到磁阻的現象，觀察到 Pt 的磁阻變化百分比隨 著 Pt 的膜厚變薄而增加，與一般鐵磁性材料的 AMR 趨勢相反，他們同時也在 釔鐵石榴石(YIG)上成長 Py 薄膜，量測其磁阻變化百分比隨膜厚的變化做比較(如 下圖)。

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圖 3-5. Pt/YIG 和 Py/YIG 的 AMR 百分比隨膜厚的變化 (摘自[7])

但是 Pt 為非磁性材料，而 YIG 為鐵磁絕緣體，照理說在 Pt 上做量測不應該 看到磁阻的現象，於是他們提出因為 Pt 十分接近鐵磁性發生的 Stoner 準則，所 以會被磁性層 YIG 誘發出磁性，並將此效應稱為磁性材料對非磁性金屬的磁邊 際效應(magnetic proximity effect)[7]。後來此團隊又於 2013 年以 x 光磁圓偏振二 向性(XMCD)的方法，在成長於 YIG 上 1.5 nm 的 Pt 薄膜量測到 300 K 下平均每 個 Pt 原子的磁矩為 0.054 μ

B

；在 20 K 的時候為 0.076 μ

B

，證明 Pt 在 YIG 上確實 會藉由磁邊際效應(magnetic proximity effect)誘發出磁性[8]。

日本的 E. Saitoh 團隊於 2013 年以自旋霍爾磁阻(spin Hall magnetoresistance) 的理論解釋了成長於釔鐵石榴石(YIG)的 Pt 薄膜在各個角度旋轉所量測的磁阻現 象[9]，自旋霍爾磁阻的理論為當磁場加於平行膜面且垂直電流的方向時(如下圖 (a))，Pt 層中傳輸電流因自旋霍爾效應(spin Hall effect, SHE)產生的自旋流(spin current)大部分會受到磁性層(YIG)的反射，因為電子自旋方向與磁矩平行，而這 反射的自旋流又會因反轉自旋霍爾效應(inverse spin Hall effect, ISHE)在傳輸電 流的方向產生感應電流，造成電流上升，電阻下降；當磁場加於平行電流或垂直

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膜面這兩個方向時(如下圖(b))，Pt 層中傳輸電流因自旋霍爾效應(spin Hall effect, SHE)產生的自旋流(spin current)只有部分會被磁性層(YIG)反射，大部分會被吸收，

因為電子自旋方向與磁矩垂直，測得的電阻相對較高。

圖 3-6. 自旋霍爾磁阻理論示意圖 (摘自[9])

此團隊的量測解果如下圖，當磁場加在α=0

^o

(+x 方向)和β=0

^o

(+z 方向)時，

電子的自旋方向和磁矩垂直，會量測到較大的電阻值，當磁場加在α=90

^o

(+y 方 向)和β=90

^o

(-y 方向)時，電子的自旋方向和磁矩平行，會量測到較小的電阻值；

當磁場從γ=0

^o

~90

^o

(+z 方向到+x 方向)時，過程中電子的自旋方向和磁矩都是保 持互相垂直的，所以在此方向上沒有量測到磁阻的變化。

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圖 3-7. 自旋霍爾磁阻量測結果 (修改自[9])

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第四章 實驗儀器與實驗原理

在文檔中 鐵、鈷、鎳、銅鎳合金與鉑、鈀多層膜的異向性界面磁阻研究 - 政大學術集成 (頁 26-32)