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。

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.

金属-绝缘体颗粒膜隧穿磁电阻效应的修正理论

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.

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

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。

铒单离子磁体(C_(18)H_(23)Er)器件的自旋极化输运

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。