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新型磁性隧道结材料及其隧穿磁电阻效应

中国材料进展 2013年第6期32卷 339-353页

作者：韩秀峰刘厚方张佳师大伟刘东屏丰家峰魏红祥王守国詹文山中国科学院物理研究所北京100000

典型的磁性隧道结是"三明治"结构,即由上下两个铁磁电极以及中间厚度为1 nm量级的绝缘势垒层构成。当外加磁场使两铁磁电极的磁矩由平行态向反平行态翻转时,隧穿电阻会发生低电阻态向高电阻态的转变。自从1995年发现室温隧穿磁电阻(TMR... 详细信息

典型的磁性隧道结是"三明治"结构,即由上下两个铁磁电极以及中间厚度为1 nm量级的绝缘势垒层构成。当外加磁场使两铁磁电极的磁矩由平行态向反平行态翻转时,隧穿电阻会发生低电阻态向高电阻态的转变。自从1995年发现室温隧穿磁电阻(TMR)以来,非晶势垒的AlOx磁性隧道结在磁性随机存储器(MRAM)和磁硬盘磁读头(Read Head)中得到了广泛的应用,2007年室温下其磁电阻比值可达到80%。下一代高速、低功耗、高性能的自旋电子学器件的发展,迫切需要更高的室温TMR比值和新型的调制结构。2001年通过第一性原理计算发现:由于MgO(001)势垒对不同对称性的自旋极化电子具有自旋过滤(Spin Filter)效应,单晶外延的Fe(001)/MgO(001)/Fe(001)磁性隧道结的TMR比值可超过1 000%,随后2004年在单晶或多晶的MgO磁性隧道结中获得室温约200%的TMR比值,2008年更是在赝自旋阀结构CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道结中获得高达604%的室温TMR比值。伴随着新势垒材料的不断发现和各种磁性隧道结结构的优化,共振隧穿和自旋依赖的库仑阻塞磁电阻等新效应以及磁性传感器、磁性随机存储器和自旋纳米振荡器及微波检测器等新器件逐渐成为科学和工业界所关注的研究与应用热点。对磁性隧道结(MTJ)材料及其器件应用研究和进展进行了简要介绍。

关键词：巨磁电阻效应隧穿磁电阻效应磁性隧道结第一性原理计算自旋转移力矩效应库仑阻塞磁电阻磁随机存储器

含铁磁半导体层的磁性隧道结中的隧穿磁电阻效应和隧穿时间的研究

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含铁磁半导体层的磁性隧道结中的隧穿磁电阻效应和隧穿时间的研究

作者：李双伶四川师范大学

学位级别：硕士

本文在转移矩阵方法和相干量子传输理论的基础上对铁磁金属/绝缘体/铁磁半导体/普通金属(FM/I/FS/NM)磁性隧道结中的隧穿磁电阻效应和隧穿时间(相位时间和居留时间)进行了研究,主要计算了铁磁半导体层的厚度和其分子场大小、绝缘层的厚... 详细信息

本文在转移矩阵方法和相干量子传输理论的基础上对铁磁金属/绝缘体/铁磁半导体/普通金属(FM/I/FS/NM)磁性隧道结中的隧穿磁电阻效应和隧穿时间(相位时间和居留时间)进行了研究,主要计算了铁磁半导体层的厚度和其分子场大小、绝缘层的厚度和其势垒高度以及Rashba自旋轨道耦合效应对隧穿磁电阻效应和隧穿时间的影响。本文主要内容如下:在第一章里面,首先我们对自旋电子学研究的发展史做了简单梳理,然后对Rashba自旋轨道耦合效应的产生、原理以及其粒子在输运特性的影响方面做了解释说明,接着介绍了隧穿磁电阻(TMR)效应,最后介绍了与隧穿时间相关的研究背景以及常用的两种隧穿时间理论公式。在第二章里面,在已有的单自旋过滤磁性隧道结:铁磁金属/绝缘体/铁磁绝缘体/普通金属(FM/I/FI/NM)研究的基础上,将其中的铁磁绝缘层(FI)换为铁磁半导体层(FS),研究了铁磁金属/绝缘体/铁磁半导体/普通金属(FM/I/FS/NM)磁性隧道结中的隧穿磁电阻(TMR)现象。结果表明:由于FS层中的自旋过滤效应和Rashba自旋轨道耦合的影响,当改变铁磁半导体层FS的宽度、FS层中的Rashba自旋轨道耦合强度的时候,FM/I/FS/NM结的TMR均出现了振荡现象,随绝缘层I厚度的增加呈饱和趋势,同时FM/I/FS/NM结可以在FS层宽度较大的情况下获得非常大的TMR值,从而避免已有的FM/I/FI/NM单自旋过滤隧道结中TMR随FI层厚度增加而下降所导致FI层不能做的太宽给制造方面增加技术上的难度系数。在第三章里面,在自由电子近似和Winful的隧穿时间模型的基础上,进一步研究了铁磁金属/绝缘体/铁磁半导体/普通金属(FM/I/FS/NM)隧道结中的自旋相关的隧穿时间。研究结果显示:隧穿时间随电子入射能量的变化出现振荡现象;在随绝缘层势垒高度的变化中,自相干项对自旋向上的电子的影响大于自旋向下的电子;在随绝缘层厚度的变化中,由于Hatman效应,隧穿时间出现饱和状态;铁磁半导体FS层中的分子场大小以及Rashba自旋轨道耦合强度对隧穿时间的影响都不大。

关键词：磁性隧道结 Rashba自旋轨道耦合铁磁半导体隧穿磁电阻效应居留时间相位时间

金属-绝缘体颗粒膜隧穿磁电阻效应的修正理论

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广西师范学院学报（自然科学版） 2007年第4期24卷 47-52页

作者：张培明郑立波王长征肖效光聊城大学物理科学与信息工程学院山东聊城252059

基于Inoue模型,提出了一个修正理论来研究金属-绝缘体颗粒膜的隧穿磁电阻效应.假定颗粒膜中铁磁颗粒的尺寸服从对数正态函数,通过两个临界尺寸D1(T)和D2(T)将颗粒膜中的铁磁颗粒分为三类:超顺磁颗粒、单畴铁磁颗粒和多畴颗粒.同时引进... 详细信息

基于Inoue模型,提出了一个修正理论来研究金属-绝缘体颗粒膜的隧穿磁电阻效应.假定颗粒膜中铁磁颗粒的尺寸服从对数正态函数,通过两个临界尺寸D1(T)和D2(T)将颗粒膜中的铁磁颗粒分为三类:超顺磁颗粒、单畴铁磁颗粒和多畴颗粒.同时引进一个参数k2来描述超顺磁颗粒与单畴铁磁颗粒对颗粒膜巨磁电阻效应影响的权重,另一个参数k1来描述基体对铁磁颗粒自旋极化率的影响.计算结果表明仅有单畴铁磁颗粒对颗粒膜的隧穿磁电阻效应起主导作用.

关键词：颗粒膜隧穿磁电阻效应对数-正态分布自旋极化

铒单离子磁体(C_(18)H_(23)Er)器件的自旋极化输运

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中国科学院大学学报（中英文） 2018年第3期35卷 302-307页

作者：周洁王正川中国科学院大学物理科学学院北京100049

研究单分子磁体的自旋极化输运性质。搭建由扫描隧道显微镜钴针尖、铒单离子磁体以及金(111)衬底所构成的分子器件模型。在小偏压下,计算铒单离子磁体在正立和倒立2种构型下的自旋极化电流曲线,发现此单分子磁体器件的隧穿磁电阻最高达1... 详细信息

研究单分子磁体的自旋极化输运性质。搭建由扫描隧道显微镜钴针尖、铒单离子磁体以及金(111)衬底所构成的分子器件模型。在小偏压下,计算铒单离子磁体在正立和倒立2种构型下的自旋极化电流曲线,发现此单分子磁体器件的隧穿磁电阻最高达120%,自旋过滤效率在70%~100%。对比2种构型下的整流比,发现倒立构型有较大的整流比。通过分析体系的透射谱、分子投影哈密顿量、器件投影态密度等,对上述物理效应的根源进行解释。

关键词：单离子磁体自旋过滤自旋整流隧穿磁电阻效应

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自旋过滤隧道结中隧穿时间的研究

自旋过滤隧道结中隧穿时间的研究

作者：曾绍龙四川师范大学

学位级别：硕士

近年来,磁性隧道结的相关实验和理论研究显示,无论是FM/I/SF/NM(铁磁层/绝缘层/自旋过滤层/普通金属层)单自旋过滤隧道结还是NM/SF/I/SF/NM(普通金属层/自旋过滤层/绝缘层/普通金属层)双自旋过滤隧道结,除了能得到极大的隧穿磁电阻以及... 详细信息

近年来,磁性隧道结的相关实验和理论研究显示,无论是FM/I/SF/NM(铁磁层/绝缘层/自旋过滤层/普通金属层)单自旋过滤隧道结还是NM/SF/I/SF/NM(普通金属层/自旋过滤层/绝缘层/普通金属层)双自旋过滤隧道结,除了能得到极大的隧穿磁电阻以及自旋极化电流以外,还能克服普通的磁性隧道结中隧穿磁电阻随偏压升高而急剧下降的缺点。鉴于自旋过滤结潜在的应用价值和在自旋极化隧穿研究方面的意义,本文在前人研究的基础之上,进一步对两种自旋过滤隧道结中的隧穿时间进行了研究。首先本文介绍了磁性隧道结和隧穿时间相关的研究背景.然后基于Winful,以及Guo等人的研究,对单、双自旋过滤隧道结中的自旋相关的居留时间和相位时间进行了计算。计算发现对于FM/I/SF/NM隧道结,当入射电子的能量高于势垒高度时(高能区)上自旋电子和下自旋电子的居留时间和相位时间趋于一致,而当入射电子的能量小于势垒高度(低能区)时,由于自旋相关的自相干项的影响,不同自旋方向的电子相位时间总是大于居留时间。其中对于上自旋电子居留时间和相位时间差距明显,并且这种差距随绝缘层,自旋过滤层的宽度和高度增大而增大到趋于不变,而对于下自旋电子相位时间和居留时间差距不明显,但对于不对称势垒的情况(I层和SF层势垒高度不同),该差距会随自旋过滤层的宽度,高度,和分子场的增大而增大。对于NM/SF/I/SF/NM隧道结,上下自旋电子的居留时间和相位时间的特点和单自旋过滤隧道结的情况类似,但当改变自旋过滤层和势垒层的势垒高度时,居留时间和相位时间会出现峰值,其原因是由于自旋极化电子的共振隧穿造成的。上述研究希望对将来基于自旋极化隧穿效应的自旋电子器件的研究起到一定的帮助和作用。

关键词：隧穿磁电阻效应居留时间相位时间磁性隧道结自旋过滤隧道结

饱和烷烃羧酸分子包裹Fe3O4纳米颗粒的自旋界面的研究

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饱和烷烃羧酸分子包裹Fe3O4纳米颗粒的自旋界面的研究

作者：魏珉山西大学

学位级别：硕士

作为自旋电子学的一个分支,有机自旋电子学在研究电子自旋方面有许多优势。一方面,组成有机材料的化学元素原子序数较小,所以自旋轨道耦合作用以及超精细相互作用较弱,有机材料有很长的自旋弛豫时间,有利于自旋电子的输运和研究。另一方... 详细信息

作为自旋电子学的一个分支,有机自旋电子学在研究电子自旋方面有许多优势。一方面,组成有机材料的化学元素原子序数较小,所以自旋轨道耦合作用以及超精细相互作用较弱,有机材料有很长的自旋弛豫时间,有利于自旋电子的输运和研究。另一方面,有机分子的化学结构多变灵活,导致有机材料具有复杂且多样的性质,我们对于选择合适的有机材料会有更大的空间,提高了有机自旋材料的应用性。有机自旋电子器件中,有机分子和铁磁电极之间的界面在确定器件性能方面特别重要,界面处对环境的变化也很敏感,大量实验可以证明:不同的铁磁/有机界面会对自旋电子有不同的作用方式,会使整个器件呈现出不同的磁电阻效应,界面处铁磁金属与有机分子间不同的吸附位、吸附方式也会使自旋器件的性质发生改变。这充分的说明自旋界面丰富的性质扩大了有机自旋器件的实际应用范围。为了研究自旋界面,实验用自组装的方法制备了饱和烷烃羧酸分子包裹FeO纳米颗粒组成的磁性隧结网络结构,这里选用的是有机单分子层,有机单分子层的优势是减少了自旋电子在有机层中输运路径的随机性,简化了我们之后对自旋界面的研究。具体来讲,实验以饱和烷烃羧酸分子包裹FeO纳米颗粒组成的磁性隧结网络结构为基础,利用不同的饱和烷烃直链羧酸包裹FeO,研究自旋电子在不同的隧穿势垒中磁输运与电输运会表现出怎样的不同。我们为了检验制备的饱和烷烃羧酸分子包裹FeO纳米颗粒的界面是否稳定,检测界面处氧含量对自旋电子磁输运、电输运的影响,首先要了解界面处铁磁与有机分子具体的吸附方式,其次又在制备样品过程中,通入氮气作为保护气,改变有机分子/FeO界面合成处的含氧量,然后通过检测该样品的电阻率和磁电阻的大小,并与非氮气保护情况下的样品测量结果进行对比,得出实验结论。实验结果显示,在非氮气保护情况下,饱和烷烃直链羧酸包裹FeO纳米颗粒的电阻率随C链的增长而呈指数变大,是典型的隧穿磁电阻效应。而C链的长短对磁电阻MR几乎不会产生影响,换句话说,不同饱和烷烃直链羧酸包裹FeO纳米颗粒的磁电阻一致。在氮气保护情况下,饱和烷烃直链羧酸包裹FeO纳米颗粒的电阻率也表现出隧穿磁电阻效应,即电阻率随C链的增长而呈指数变大,但是,与非氮气保护下的样品电阻率相比,氮气保护下的样品的电阻率均减小为原来的1/3。磁电阻并没有明显变化。结合这些结论,可以确定,FeO/有机分子界面处氧含量的减少,导致FeO颗粒表面剩余电荷增多,一个FeO纳米颗粒同时结合了多个有机分子,使得输运通道变多,相当于电阻并联,但是自旋界面没有发生改变。侧面证明了自组装的有机羧酸包裹的FeO纳米颗粒结构简单还较稳定,适合用于研究自旋电子的输运性质。

关键词：有机自旋电子学饱和烷烃直链羧酸包裹Fe3O4纳米颗粒隧穿磁电阻效应铁磁/有机分子界面自旋电子的磁输运、电输运

CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道结制备与特性研究

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CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道结制备与特性研究

作者：陈晓飞黑龙江大学

学位级别：硕士

MgO基磁性隧道结(MTJs)是自旋电子学领域的应用热点,促进了自旋电子学器件的发展,但MgO磁性隧道结理论值和实验值仍然有差距,其隧穿磁电阻效应(TMR)仍有待研究。本文给出磁性隧道结的工作机理,理论分析MgO磁性隧道结中元素扩散氧化和界... 详细信息

MgO基磁性隧道结(MTJs)是自旋电子学领域的应用热点,促进了自旋电子学器件的发展,但MgO磁性隧道结理论值和实验值仍然有差距,其隧穿磁电阻效应(TMR)仍有待研究。本文给出磁性隧道结的工作机理,理论分析MgO磁性隧道结中元素扩散氧化和界面结构等因素对隧穿磁电阻效应的影响,研究磁性隧道结缓冲层、自由层和势垒层的表面形貌和制备条件。为提高MgO磁性隧道结的TMR比值,研究了两种类型的三明治结构MgO磁性隧道结,一种为EBSV型,采用Ir Mn作为钉扎层来固定一个铁磁层的磁化方向;另一种为PSV型,该隧道结取消钉扎层,通过铁磁层厚度来调制矫顽力大小,并利用Pt金属插层来改善MgO磁性隧道结的界面结构,来提高TMR比值。在此基础上优化了MgO磁性隧道结的制备条件和加磁退火处理工艺,利用微电子工艺完成MgO磁性隧道结的4英寸晶圆制作,并进行无磁化封装和测试分析。在室温条件下,采用半导体参数测试仪和高低温霍尔效应测试系统研究两种类型的MgO磁性隧道结的I-V特性和磁阻特性。结果表明MgO磁性隧道结具有一定的隧穿磁电阻效应,EB-SV型MgO磁性隧道结的TMR比值约为20%;并且相对于传统的EB-SV型MgO磁性隧道结,PSV型MgO磁性隧道结的TMR比值约为62%;带有Pt插入层的PSV型MgO磁性隧道结隧穿磁电阻效应更为显著,TMR比值约为91%。结果表明取消钉扎层Ir Mn和加入Pt插层使CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道结的隧穿磁电阻效应有一定的改善,提高了TMR比值,为MgO磁性隧道结的研究奠定基础。

关键词： CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道结隧穿磁电阻效应微电子工艺

从物理发现到成功应用——兼谈2007年度诺贝尔物理学奖授予巨磁电阻效应发现者

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科技导报 2007年第24期25卷 17-24页

作者：韩秀峰刘东屏温振超中国科学院物理研究所磁学国家重点实验室北京100080

法国科学家Albert Fert和德国科学家Peter Grünberg因发现巨磁电阻效应(GMR)而获得2007年度诺贝尔物理学奖。通过介绍他们的突出贡献及该领域的其他相关重要工作,梳理了近20年时间里,巨磁电阻效应和隧穿磁电阻效应(TMR)从物理发现到人... 详细信息

法国科学家Albert Fert和德国科学家Peter Grünberg因发现巨磁电阻效应(GMR)而获得2007年度诺贝尔物理学奖。通过介绍他们的突出贡献及该领域的其他相关重要工作,梳理了近20年时间里,巨磁电阻效应和隧穿磁电阻效应(TMR)从物理发现到人工制备和优化多种纳米磁性多层膜、磁性隧道结(MTJ)材料,以及被成功应用于计算机磁读头、磁随机存储器和多种磁敏传感器的发展历程,展现了该领域现阶段有重要应用前景的一些热点课题。

关键词：巨磁电阻效应隧穿磁电阻效应磁性随机存储器自旋阀自旋电子学

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基于TMR的U型差分高线性度电流传感器

无线电工程 2024年

作者：周冬曾蕙明韩梓硕张黎可方彬南京信息工程大学电子与信息工程学院无锡学院集成电路科学与工程学院中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所纳米加工平台

针对隧穿磁阻 (Tunneling Magnetoresistance， TMR)电流传感器线性度不理想、准确度易受温度变化和外磁场影响及测量分辨率低的问题，对TMR电流传感器的功率放大器进行改进并设计了U型探头结构。通过采用V/A转换电路作为功放电路，提... 详细信息

针对隧穿磁阻 (Tunneling Magnetoresistance， TMR)电流传感器线性度不理想、准确度易受温度变化和外磁场影响及测量分辨率低的问题，对TMR电流传感器的功率放大器进行改进并设计了U型探头结构。通过采用V/A转换电路作为功放电路，提高了传感器的线性度，同时有效解决了测量分辨率与反馈精度之间的矛盾。仿真结果表明，相较于传统的互补推挽电路，V/A转换电路将整体电路的非线性误差降低了96.7%。在对比测试中，尽管普通结构和U型差分结构均采用了V/A转换电路，但U型差分结构相较于普通结构仍能显著降低非线性误差（减少78.3%），其灵敏度提高至1.263 V/A，平均相对误差减少了75.6%。这些结果表明，所提出的U型差分结构在提升电流传感器性能方面具有显著效果，展现出良好的实际应用价值。

关键词：电流传感器隧穿磁电阻效应差分结构闭环结构功率放大电路