新型磁性隧道结材料及其隧穿磁电阻效应

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。

磁性隧道结自旋极化电子的隧穿特性

铁磁金属间通过中间层的自旋极化电子隧穿产生的磁性耦合,在自旋电子器件中有许多潜在的应用.考虑由一平面磁性势垒层隔开的两铁磁性金属电极构成的磁性隧道结,针对中间层形成的矩形势垒,在近自由电子模型的基础上,计算零偏压下的隧穿电导、自旋极化率和隧穿磁阻比率,分析势垒层特性、分子场强弱、分子场相对取向等对隧道结自旋极化电子隧穿特性的影响.计算结果对自旋电子器件的设计具有一定的指导意义.

基于MgO磁性隧道结的五种隧穿磁电阻线性传感单元性能比较

磁性隧道结经过结构优化和性能提升已成功应用于磁存储、磁传感、磁逻辑等多种自旋电子学器件中.磁传感是利用磁性隧道结的自由层和钉扎层之间特殊的磁结构来实现隧穿磁电阻(TMR)随外加磁场变化而呈现的线性输出.迄今为止,人们基于MgO磁性隧道结已经研发出五种TMR线性传感单元,分别是人工间接双交换耦合型、磁场偏置型、面内/面外垂直型、超顺磁型的TMR线性传感单元.本文梳理了这五种TMR线性传感单元并对它们的磁传感性能进行了系统比较,为人们探索和发现磁敏传感器的相关应用提供了帮助.

栅控电势磁性隧道结的隧穿磁阻研究

基于Slonczewski理论模型和矩阵方法研究了由栅控制中间层电势高度的磁性隧道结的隧穿磁阻效应。数值计算了中间层势垒为0~3 V以及中间层势阱为0~3 V的磁性隧道结的隧穿磁阻随着中间层厚度改变的变化曲线。计算结果表明，当中间层为势垒时，隧穿磁阻随着中间层厚度单调下降；当中间层为势阱时，隧穿磁阻随着中间层厚度振荡，并且相比于势垒情况时明显提高。这说明栅控中间层磁性隧道结相比于传统磁性隧道结具有更好的可控性和提高隧穿磁阻效应的潜力。

单晶二维材料势垒层磁性隧道结温度效应的理论研究

基于传统光学衍射理论构建了适用于单晶势垒层磁性隧道结的理论模型.该理论模型将单晶势垒层视作周期性的衍射光栅,所以可以计入单晶势垒层对隧穿电子散射产生的相干性.利用此理论,研究了单晶二维材料势垒层磁性隧道结的温度效应.理论结果表明,由于隧穿电子波为势垒层散射而具有强相干性,所以隧穿电阻和TMR会随温度非单调变化.这解释了已有的实验结果,并阐明了其物理机制.此外,还研究了晶格畸变对单晶二维材料势垒层磁性隧道结温度特性的影响.这些研究结果为优化单晶二维材料势垒层磁性隧道结的温度特性奠定了坚实的理论基础.

磁性隧道结Fe/MgO/Fe(001)的磁性及界面电子结构

采用分子束外延技术在GaAs(001)-4×6衬底上外延出Fe/MgO/Fe(001)单晶磁性隧道结.原位表面磁光Kerr效应(SMOKE)测量表明:当外磁场沿[1(?)0]方向时,隧道结的SMOKE回线具有典型的双矫顽力特性.下电极Fe层的矫顽力(约为20mT)约是上电极Fe层矫顽力(约为1mT)的20倍.矫顽力的增强主要被归结为MgO/Fe(001)界面对下电极铁磁层的钉扎作用.自旋分辨的光电子能谱测量表明:在MgO覆盖到Fe(001)表面后,Fe(001)Fermi面的自旋极化率P由负值转变为正值.P值符号的改变被归结为MgO/Fe(001)界面电子自旋结构的改变.

RF反应溅射法制备NiFe/Al2O3/Co磁性隧道结研究

采用RF反应溅射法制备了室温下TMR值达6.5%的NiFe/Al2O3/Co磁性隧道结.样品制备采用一系列的掩模,Al2O3层的制备采用RF反应溅射并原位热氧化方法,隧道结的面积为0.2mm×0.2mm.样品的Ⅰ-Ⅴ特性曲线说明了样品中隧道效应的存在,利用XPS分析了样品界面特性及样品成分随膜厚的变化.

双势垒抛物势阱磁性隧道结隧穿磁阻及自旋输运性质的研究

采用相干量子输运理论和传递矩阵的方法,在抛物势阱磁性隧道结(F/PW/F)的铁磁和半导体势阱间插入另一种半导体作为势垒,构造具有双势垒的抛物势阱磁性隧道结作为研究对象,研究了抛物势阱宽度、自旋轨道耦合效应、角度效应及插入势垒厚度对隧穿磁阻及自旋输运性质的影响计算结果表明,通过适当调节Rashba自旋轨道藕合强度和插入势垒的厚度,可以实现隧穿磁阻(TMR)的调制,能获得较大的TMR值,这些特点有助于促进新型磁性隧道结的开发和应用.

磁性隧道结中自旋相关的隧穿输运

全面回顾和总结了磁性隧道结中自旋相关的隧穿这一研究领域的理论和实验方面的最新研究进展。讨论了影响磁性隧道结的自旋极化和隧穿磁电阻的各种因素及反映铁磁层和铁磁／绝缘层界面电子结构在隧穿中重要作用的理论模型和近期实验，同时也讨论了绝缘势垒和铁磁／绝缘层界面中的无序性在隧穿过程中对自旋极化与磁电阻效应的影响。

CoFe/Al_2O_3/NiFe磁性隧道结的研究

利用离子束溅射技术制备了Ta/CoFe/Al2 O3 /NiFe磁性隧道结 ,研究了它的磁化曲线、磁电阻特性、伏安特性 ,发现它具有明显的巨磁电阻效应 .在研究电流与电压、电流与电阻特性中 ,发现了电流增大到 2 5 μA左右时隧道结呈现伪击穿现象的畸变输运行为 。

磁性隧道结自旋极化电子隧穿的温度特性

基于自由电子模型，研究了铁磁金属／绝缘体（半导体）／铁磁金属（ＦＭ／Ｉ（Ｓ）／ＦＭ）隧道结自旋极化电子隧穿的温度特性。从结论可以定性地解释有关的实验现象。

磁性隧道结自旋极化电子隧穿的温度特性

基于自由电子模型，我们研究了铁磁金属／绝缘体（半导体）／铁磁金属（FM／I（S）／FM）隧道结自旋极化电子隧穿的温度特性。从我们的结论可以定性地解释有关的实验现象。

界面效应对全钙钛矿结构磁性隧道结输运特性的影响研究(英文)

利用磁控溅射方法在(100)SrTi O3单晶衬底上制备得到了三明治结构La0.7Sr0.3 MnO3/La0.96Sr0.04 MnO3/La0.7Sr0.3 MnO3磁性隧道结。非线性的I-V曲线表明势垒层中的导电输运机制为隧道效应。退火处理后隧道结的隧穿磁电阻及节电阻显著降低,这主要是由于退火后中间绝缘层La0.96Sr0.04 MnO3界面恶化所导致。

基于应变调制型磁性隧道结的自动置位逻辑门电路

建立了应变调制型磁性隧道结（MTJ）器件的HSpice电路仿真模型,分析了该器件的转换特性。基于所建立的模型并结合BSIM4 90 nm CMOS模型,设计了一种非易失性自动置位逻辑门电路。分析了4种组合输入电压作用下电路中MTJ磁阻的转变特性。对所设计电路的逻辑功能进行仿真分析,通过改变MTJ尺寸参数,得到了所设计电路两种规格下的输入和输出特性。仿真结果表明,该电路成功实现了或非（NOR）和与非（NAND）逻辑,验证了所设计电路功能的正确性。研究结果对今后基于应变调制型MTJ器件设计低功耗和非易失性集成电路具有重要意义。

MgO单晶势垒磁性隧道结的第一性原理计算和实验研究

在MgO单晶势垒磁性隧道结中发现的室温高隧穿磁电阻现象,是近些年自旋电子学以及磁性隧道结磁电阻材料研究中的又一重大突破。本文主要评述和介绍2001年以来MgO单晶势垒磁性隧道结第一性原理计算和实验上的重要进展,以及介绍利用Layer-KKR第一性原理计算方法研究的Fe(001)/MgO/Fe、Fe(001)/FeO/MgO/Fe、Fe(001)/Mg/MgO/Fe、Fe(001)/Co/MgO/Co/Fe和Fe(001)/MgO/Fe/MgO/Fe等基于单晶MgO(001)单势垒及双势垒磁性隧道结材料的电子结构和自旋相关输运性质研究的最新进展。这些第一性原理定量计算的结果,不仅从物理上增强了对MgO单晶势垒磁性隧道结的电子结构和自旋相关输运特性的了解,而且对于研究新型室温磁电阻隧道结材料及其在自旋电子学器件中的广泛应用,具有一定的参考价值。

反铁磁Cr插入层对CoFe/MgO/CoFe磁性隧道结的隧穿磁电阻的影响

利用基于密度泛函理论和非平衡态格林函数的第一性原理计算研究了CoFe/MgO/CoFe磁性隧道结的隧穿磁电阻效应.给出了该隧道结隧穿磁电阻与偏压的依赖关系,并计算了平行结构与反平行结构相应的I-V特性曲线和传输谱.通过在一侧电极与势垒层之间插入反铁磁金属Cr层,观察到了隧穿磁电阻、电导随插入层Cr层数增加发生衰减和2个原子层周期的振荡现象,这主要是由于Cr拥有反铁磁结构,在Cr/MgO界面形成了与Cr磁矩取向相关的界面散射.

基于磁性隧道结的群体编码实现无监督聚类

利用新型材料器件发展类脑计算硬件研究的关键问题是发展出合适的算法,能够发挥新器件的特点和优势.群体编码是生物神经系统常见的编码方式,能够有效去除噪音,实现短时程记忆及复杂的非线性映射功能.本文选择自旋电子学器件中研究较多、工艺较成熟的磁性隧道结,应用其可调控的随机动力学实现群体编码.作为一个应用的例子,超顺磁隧道结构建的二层脉冲神经网络成功完成了鸢尾花数据集的无监督聚类.数值仿真表明基于磁性隧道结的群体编码可以有效对抗器件的非均一性,为类脑计算硬件研究提供重要的参考.

单晶二维材料势垒层磁性隧道结的偏压效应

基于Bethe理论和双束近似方法,构建了适用于单晶势垒层磁性隧道结的理论模型。该理论模型将单晶势垒层视作周期性光栅,因而可以充分地计入隧穿电子的相干性。进一步地,利用该理论计算了以单晶二维材料作为势垒层的磁性隧道结的偏压效应。根据计算结果,讨论了铁磁电极对偏压效应的影响以及偏压对厚度效应的影响。研究表明,由于单晶周期性势垒对隧穿电子散射导致透射电子波具有相干性,隧穿电导和TMR将随偏压振荡,且振荡的周期随铁磁电极半交换劈裂能的增大而增大。此外,研究结果还发现,当偏压低于100 mV时,偏压对隧穿磁阻效应的影响很小;当偏压显著增大时,隧穿电导和TMR随势垒层厚度振荡的振幅和频率均随之减小。

磁性隧道结电阻与电流驱动相关性分析(英文)

利用离子束高真空复合溅射装置置备具有Ta缓冲层和Ta Fe Ta覆盖表面层的Fe Al2O3 FeCo的磁性隧道结.在零磁场下观测隧道结电导和结电阻面积积(RA)与垂直射入隧道结平面的自旋极化发射电流的依赖关系.研究发现,磁性隧道结的电导和RA的发射电流驱动效应取决于隧道结的物相成分、微结构和电流强度.在大驱动电流范围观测到电导特性不同的4个区域.