磁隧穿振荡研究GaAs／AlAs双势垒结构中的Γ-X电子态混合

报道了非对称ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ双势垒结构（ＤＢＳ）中的Γ－Ｘ－Γ磁隧穿振荡现象，用磁场倒数周期求得ＡｌＡｓ层中Ｘ谷和ＧａＡｓ层中Γ谷之间的能带不连续值与通常公认值符合很好．

不对称双势垒结构中的非共振磁隧穿现象

本文系统研究了不对称GaAs/AlAs双势垒共振隧穿结构中非共振磁隧穿谱在正反偏压方向上的特征差异,并且用渡越电子沿正反方向隧穿通过双势垒结构时在势阱中停留时间的不同合理解释了实验结果。

半导体超晶格结构中电子的量子磁隧穿

将厄密函数作为包络波函数解析地求解了电场和磁场同时垂直作用在超晶格结构上的一维有效质量方程，利用传递矩阵方法求得电子隧穿双势垒结构的传输系数，并对计算结果作了讨论．

铁磁/半导体/铁磁隧道结中的隧穿磁电阻

采用相干量子输运理论和传递矩阵方法研究了具有不同自旋指向的极化电子渡越铁磁/半导体/铁磁隧道结的隧穿几率和隧穿磁电阻。研究表明隧穿几率和隧穿磁电阻随半导体长度的改变发生周期性变化、随Rashba自旋轨道耦合强度的改变发生准周期变化,并且在两铁磁电极中磁矩取向平行时,选择适当的半导体的长度和Rashba自旋轨道耦合强度可以得到较大的隧穿磁电阻。

磁隧道结中的自旋过滤效应

量子隧穿效应是基本的量子现象之一,隧穿即电子隧穿势垒,即当电子的总能量小于势垒高度时,电子仍可穿过这一势垒。近年来,对于量子隧穿效应的研究引起了人们的关注,其中磁性隧道结(MTJs)中的量子隧穿输运现象是人们关注的热点。人们要想设计出具有较高的磁隧穿电阻(TMR)和完美自旋过滤效应的MTJs。本文简要的介绍了几种MTJs中的自旋过滤效应。

含磁性非磁性金属插入层磁隧道结的隧穿特性研究

讨论了一种新型FM1/NM/FM/I/FM2磁性隧道结,该隧道结结构可获得高质量的I层,从而具有重要的应用价值.利用Slonezewski的自由电子模型和转移矩阵方法,对这种隧道结中的隧穿电导(TC)和隧穿磁电阻(TMR)与NM、FM层的厚度以及和势垒高度的关系进行了研究.同时还通过和FM1/NM/I/FM2型隧道结的相应结果的比较讨论了FM层在FM1/NM/FM/I/FM2磁性隧道结中的作用.

零偏压下FM/I/FM型磁隧道结中TMR的理论研究

本文介绍了研究零偏压下FM/I/FM型磁性隧道结中TMR的两种重要理论模型,以助于深入理解磁性隧道结中自旋极化电子隧穿输运现象。

铁磁-半导体-铁磁隧道结中的隧穿磁电阻

针对由1个半导体隔开的2个铁磁性金属电极构成的磁性隧道结,考虑中间层形成双δ势垒,在近自由电子模型的基础上,计算了零偏压下隧穿磁电导和隧穿磁电阻.结果表明,该隧道结的隧穿磁电阻和隧穿磁电导与磁性金属电极分子场的角度有密切的关系.

MgO基磁性隧道结中隧穿磁-塞贝克效应温度特性的理论研究

构建了基于光学方法的单晶势垒层磁性隧道结理论模型,并利用该模型研究了MgO基磁性隧道结中隧穿磁-塞贝克效应的温度特性。由于该理论模型充分地计入了势垒层的周期性和晶格畸变的影响,在此理论模型中,温度不仅通过费米分布函数对塞贝克系数产生影响,还会通过晶格畸变对塞贝克系数进行修正,进而使塞贝克系数具有关于温度的振荡特性。该振荡特性来源于单晶势垒层周期势对隧穿电子的衍射所导致的相干性。上述结果在理论上解释了MgO基磁性隧道结中平行塞贝克系数和TMS随温度非单调变化的实验结果,并阐明了其物理机制。此外,文章还研究了应变、杂质浓度以及回复温度等晶格畸变参数对隧穿磁-塞贝克效应温度特性的影响。研究结果发现,杂质浓度和回复温度可以对平行塞贝克系数非单调变化的幅度进行调制。

隧穿磁电阻效应磁场传感器中的噪声分析及降低噪声的方法

隧穿磁电阻效应磁场传感器(TMR)虽具有灵敏度高、功耗低等特点,但器件的低频噪声限制了其在微弱磁场探测方面的应用。文章分析了隧穿磁场传感器中散粒噪声、热磁噪声、1/f噪声的产生机理,并结合几种噪声的解析式分析了各自的频率依赖关系。在低频率范围内,TMR传感器的噪声主要表现为1/f噪声。阐述了降低器件噪声的若干方法,并结合理论和实践分析了优化TMR传感器的结构、优化MTJ材料制备工艺、运用斩波技术、交流励磁以及MEMS聚磁器等方法后的降噪效果。通过对比分析发现MEMS磁聚集器是隧穿磁场传感器的最优降噪手段,利用MEMS磁聚集器可有效地将1/f噪声压制103倍,使TMR磁传感器的噪声低于10 pT/√Hz@1Hz。

隧穿磁电阻效应磁场传感器中低频噪声的测量与研究

基于隧穿磁电阻效应(TMR)的磁场传感器具有很高的磁场灵敏度,但同时噪声也较大,有效抑制TMR磁场传感器的噪声,尤其是低频噪声的抑制对于其在高灵敏度要求场合的应用具有重要的意义.本文采用高精度数据采集卡搭建了噪声测量系统,测量了全桥结构TMR磁场传感器的噪声频谱图,发现TMR传感器的噪声在低频段表现为1/f特性,同时噪声功率谱密度与工作电流平方成正比关系;低频噪声在自由层翻转区间内噪声急剧增大,证明了1/f噪声主要来源于磁噪声,这一结果为TMR磁场传感器的噪声特性优化指明了方向.

磁性隧道结中自旋相关输运的势垒影响

为了研究势垒对铁磁/绝缘层/半导体/绝缘层/铁磁(FM/I/SM/I/FM)双隧道结中自旋相关电子输运特性的影响,提出了在半导体层厚度合适的情况下,非对称势垒对于提高平行结构磁性双隧道结的自旋注入效率SIE(spin injection efficiency)更具优势。数值计算结果表明,当两势垒强度的比率达到合适数值时双结的SIE和隧穿磁电阻TMR(tunneling magnetore resistance)都将达到最大,这给提高从铁磁到半导体的SIE带来新选择。研究还表明,非对称势垒结构磁性隧道结中增大铁磁交换能对提高SIE和TMR都是有益的,而且铁磁交换能的增加对SIE的提高要比对TMR的提高更显著。

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。

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.

NM/FI/NI/FI/NM新型双自旋过滤隧道结的隧穿磁电阻

在NM/FI/FI/NM型双自旋过滤隧道结(NM为非磁金属,FI和后面的NI分别为铁磁和非磁绝缘体或半导体)的基础上,提出一种NM/FI/NI/FI/NM新型双自旋过滤隧道结.基于自由电子近似并利用转移矩阵方法,对NM/FI/NI/FI/NM新型双自旋过滤隧道结在不同偏压下的隧穿磁电阻TMR与FI层厚度及NI层厚度的关系做了理论研究.计算结果表明,在NM/FI/NI/FI/NM型双自旋过滤隧道结中仍可以得到很大的TMR值.

具有有限铁磁层厚度的磁性双隧道结中的隧穿电导和磁电阻

在FM/I/NM/I/FM磁性双隧道结研究的基础上,进一步考虑了外加有限厚的非磁金属(NM)覆盖层的情况,这时磁性双隧道结的结构变为NM/FM/I/NM/I/FM/NM.此处,FM、I和内NM都具有有限厚度,而在理论处理中,外NM被看做是无限厚的.对FM厚度于磁性双隧道结中自旋极化电子输运性质(特别是隧穿磁电阻)的影响做了研究.用Slonczewski近自由电子模型所得到的计算结果表明,FM厚度的变化会引起隧穿电阻和隧穿磁电阻振荡;当FM厚度取适当值时,会得到比FM/I/NM/I/FM更大的隧穿磁电阻.

双量子环的隧穿电导和隧穿磁电阻

研究了双量子环的隧穿电导和隧穿磁电阻,研究结果表明:隧穿电导和隧穿磁电阻都随半导体环增大做周期性等幅振荡。δ势垒、Rashba自旋轨道耦合、AB磁通对隧穿电导或隧穿磁电阻的影响各不相同。隧穿磁电阻随AB磁通增强发生周期性等幅振荡,并随φ0角的减小而增大。两电极磁矩方向反平行时,隧穿磁电阻恒为零。

NM/FS1/FS2/NM结的隧穿电导和隧穿磁电阻

利用平均场近似和转移矩阵方法,对NM/FS1/FS2/NM结(NM为非磁金属,FS1和FS2为铁磁半导体层)的隧穿磁电阻(TMR)与FS层厚度及Rashba自旋轨道耦合的关系进行了研究.结果表明NM/FS1/FS2/NM结中TMR值随半导体层厚度的改变发生周期性变化,选择适当的半导体层的厚度和Rashba自旋轨道耦合系数可以得到大的TMR值.

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。

自由层磁性交换偏置效应调控隧穿磁电阻磁传感单元性能

优化样品结构参数、磁场退火热处理、串并联桥式设计、施加电流热效应以及额外偏置磁场等是调控隧穿磁电阻(tunnel magnetoresistance,TMR)磁传感性能的常用方法.借助这些方法可以提高TMR磁传感的灵敏度、抗噪声指数、线性度和线性磁场范围等关键性能参数.其中,通过改变TMR磁传感单元的钉扎层、自由层以及势垒层材料和厚度等样品结构参数能够改变交换偏置场,进而提升TMR磁传感性能参数.本文基于微磁学仿真和实验测量发现,通过改变自由层CoFeB/Ru/NiFe/IrMn中的交换耦合作用,可以调制TMR自由层的交换偏置场大小和提升TMR磁传感单元的性能.当逐步增强IrMn钉扎效果时,TMR磁传感单元的线性磁场范围随之增大,但是磁场灵敏度降低;在±0.5倍自由层(主要是CoFeB层)磁矩变化范围内所有TMR磁传感单元的线性度最佳.