（微电子学与固体电子学专业论文）自旋阀三明治结构制备与gmr效应研究.pdf

华中科技大学博士学位论文 摘要 自旋电子学是上世纪九十年代以来飞速发展起来的新兴学科。与传 统的半导体电子器件相比，自旋电子器件具有非挥发性、低功耗和高集 成度等优点。电子学、光学和磁学的融合发展更有望产生出自旋场效应 晶体管、自旋发光二极管、自旋共振隧道器件、兆兆赫频率光学开关、 调制器、编码器、解码器及用于量子计算、量子通信等装置的新型器件， 从而触发一场信息技术革命。， 自旋阀三明治结构因其低饱和场和高灵敏度已率先应用于计算机磁 头技术和各种磁感应技术，是近年来高速、大容量磁存储技术能够快速 发展的重要技术支撑。本文围绕自旋阀三明治结构的制备工艺、结构设 计和巨磁电阻性能等方面展开了深入、系统的研究。从理论上研究了自 旋阀自旋相关散射和层间耦合机制、反铁磁铁磁双层膜交换各向异性理 论模型和镜面反射增强巨磁电阻效应的半经典理论。实验上从自旋阀的 结构设计出发，用射频磁控溅射技术制备了一系列自旋阀薄膜，通过优 化工艺条件来提高其巨磁电阻效应。 主要有以下几个方面内容： 弃既括本文的理论和实验研究结果 用射频磁控溅射的方法制备了矫顽力差异型自旋阀n i f e c u c o f e 结构。成功地观察到了自旋阀的巨磁电阻效应随非磁性隔离层厚度变化 的振荡行为，振荡周期大约为1 1n m 。振荡峰值随非磁性隔离层厚度的 增大而减小。固定非磁性隔离层厚度和溅射工艺条件，研究了铁磁层厚 度变化对自旋阀巨磁电阻效应的影响。发现当铁磁层厚度分别发生变化 时，自旋阀的巨磁电阻都会出现一个最大值，但出现最大值时的铁磁层 厚度不同，c o f e 的厚度大约为4r l m ，n i f e 的厚度大约为6r l l n 。通过在 铁磁金属非磁性隔离层界面引入插入层，探讨了自旋阀巨磁电阻效应的 自旋相关散射机制。在c u n i f e 界面插入适当厚度c o f e 薄层能增大自旋 阀的巨磁电阻。而在c o f e c u 界面插入n i f e 薄层会使自旋阀的巨磁电阻 效应显著降低。 在反铁磁铁磁双层膜的成膜过程中是否外加沉积磁场时其交换耦 华中科技大学博士学位论文 合场h ，。明显不同，沉积磁场的诱导效应有利于增大双层膜的交换各向异7 性。反铁磁材料n i 0 和铁磁材料c o f e 的厚度发生变化时，矫顽力，和 交换耦合场日。都会发生变化。实验发现：当n i 0 厚度小于2 5n m 时，n i 0 对c o f e 没有偏置作用，此厚度即为n i o 对c o f e 产生交换作用的临界厚 度。随着n i o 厚度的增加，交换耦合场日。和矫顽力日。都增大，当n i 0 的厚度增大到5 0n m 左右时，交换耦合场日。达到最大，继续增大n i o 的 厚度，交换耦合场h 。几乎看不出变化。保持n i 0 的厚度不变而增加铁磁 材料c o f e 的厚度时交换耦合场何。；和矫顽力也都近似线性地减小。升高 温度会使交换耦合场以。降低，但双层膜的结构和厚度不同时情况有所不 同，当n i o 的厚度为7 0t i m 时，交换耦合作用的截止温度约为1 6 0 。 通过改变n i 0 薄膜的溅射氩气压和衬底材料，研究了n i o 的织构、 表面粗糙度对c o f e n i o 双层膜交换耦合场h 。的影响。实验表明完全自 旋未补偿面与交换耦合场的产生没有直接联系，但交换耦合场日。与界面 状况密切相关。增大n i o 的表面粗糙度会使交换耦合场玫减小。应用随 机场理论在考虑了实际界面存在的粗糙度、杂质和缺陷等实际情况下， 正确地预测了交换耦合场的数量级，而且对交换耦合场与铁磁层厚度 ，。、反铁磁层厚度f 。以及交换耦合场的温度特性等实验结果做出了合 理解释。并应用随机场模型对反铁磁铁磁双层膜中铁磁层矫顽力以与 铁磁层厚度f 。的关系进行了定量计算，发现矫顽力匝与铁磁层厚度 l f 。，成正比，这一结果表明理论计算与我们的实验数据符合得很好。 由于巨磁电阻效应的自旋相关散射机制，利用传导电子的镜面反射 效应，增大其平均自由程从而增大自旋阀中传导电子界面自旋相关散射 是提高自旋阀巨磁电阻效应的一条重要途径。实验中采用a g 作为镜面覆 盖层，发现当a g 厚度大约为2 o 2 4n l n 左右时，对于不同结构的自旋 阀样品n i f e c u c o f e 和c o f e c u c o f e n i 0 ，巨磁电阻都有较大幅度的 提高。借助于c a m l e y 和b a r n a s 的半经典模型对实验结果进行了理论分 析，数值计算结果与我们的实验数据符合得较好。y 、 关键词：自旋阀，巨磁电阻，交换耦合，镜面发射，半经典理论 i i 华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t s p i n t r o n i c s i san e wd i s c i p l i n a r y w h i c hd e v e l o p e d s p e e d i l y i nt h e 19 9 0 s t h ea d v a n t a g e so ft h es p i n t r o n i cd e v i c e sw o u l db en o n v o l a t i l i t y ， i n c r e a s e dd a t ap r o c e s s i n gs p e e d ，d e c r e a s e de l e c t r i cp o w e rc o n s u m p t i o n ，a n d i n c r e a s e di n t e g r a t i o nd e n s i t i e sc o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a ls e m i c o n d u c t o r e l e c t r o n i cd e v i c e s i t i se n v i s i o n e dt h a tt h e m e r g i n g o f e l e c t r o n i c s ， p h o t o n i c s ，a n dm a g n e t i c s w i l l u l t i m a t e l y l e a dt on e w s p i n b a s e d m u l t i f u n c t i o n a ld e v i c e ss u c ha ss p i n - f e t ( f i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ) ，s p i n l e d ( 1 i g h t - e m i t t i n gd i o d e ) ，s p i n r t d ( r e s o n a n tt u n n e l i n gd e v i c e ) ，o p t i c a l s w i t c h e so p e r a t i n ga tt e r a h e r t zf r e q u e n c y ，m o d u l a t o r s ，e n e o d e r s ，d e c o d e r s ， a n dq u a n t u mb i t sf o rq u a n t u mc o m p u t a t i o na n dc o m m u n i c a t i o na n dg i v er i s e t oar e v o l u t i o nf o ri n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y s p i n - v a l v es a n d w i c hs t r u c t u r e s ，w h i c hw e r ev e r yi m p o r t a n tt e c h n o l o g y f u n d a m e n t sf o r h i g h d a t a p r o c e s s i n gs p e e d a n d l a r g ec a p a c i t ym a g n e t i c i n f o r m a t i o ns t o r ei nr e c e n ty e a r s ，h a db e e nu s e dw i d e l ya sc o m p u t e rr e a d i n g h e a d sa n dv a r i o u s m a g n e t i cs e n s i n gt e c h n o l o g i e s b e c a u s eo ft h e i rl o w s a t u r a t i o nf i e l d sa n dh i g hs e n s i t i v i t i e s p r e p a r a t i o np r o c e s s i n go fs p i n v a l v e s a n d w i c hs t r u c t u r e s ，s t r u c t u r e d e s i g n ，a n dg i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c e ( g m r ) p r o p e r t i e s w e r es t u d i e da c r o s s t h e - b o a r di nt h i s p a p e r w ei n v e s t i g a t e d t h e o r e t i c a l l ys p i n v a l v es p i nd e p e n d e n ts c a t t e r i n gp r i n c i p l e ，i n t e r l a y e r c o u p l i n gm e c h a n i s m ，a n da n t i f e r r o m a g n e t i c f e r r o m a g n e t i cb i l a y e re x c h a n g e a n i s o t r o p ym o d e l t h eo m r v a l u e sh a db e e ni n c r e a s e di nv i r t u eo f o p t i m i z i n g p r e p a r a t i o np r o c e s s i n gw h e nt h es p i nv a l v e sw e r eg r o w nb yr a d i of r e q u e n c y m a g n e t r o ns p u t t e r i n g t h e r ea r ef o l l o w i n gt h e o r e t i ca n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s r e s u m p t i v e l y ： t h en i f e c u c o f es p i nv a l v e sw e r eg r o w nb yr a d i of r e q u e n c ym a g n e t r o n s p u t t e r i n g t h e v a r i a t i o no ft h e m a g n e t o r e s i s t a n c e w i t h c o p p e rs p a c e r t h i c k n e s si n d i c a t e dt h e p r e s e n c e o fa n o s c i l l a t o r yi n t e r l a y e re x c h a n g e i l l 华中科技大学博士学位论文 c o u p l i n gt h r o u g h t h e c o p p e rl a y e r s w i t ha p e r i o d o fa b o u t1 1n m t h e o s c i l l a t o r yp e a k s b e c a m el o ww h e nt h e s p a c e r t h i c k n e s si n c r e a s e d t h e e f f e c t so fv a r i a t i o nt h i c k n e s so f f e r r o m a g n e t i cl a y e r s o ng m rw e r e r e s e a r c h e d i tw a sf o u n dt h a tt h e r ew e r em a x i m a lg m rv a l u e sw h e nt h e f e r r o m a g n e t i cl a y e rc o f et h i c k n e s sw a sa b o u t4n m a n dn i f et h i c k n e s sw a s a b o u t6n m t h eg m rv a l u e si n c r e a s e dw h e nc o f el a y e r sw e r ei n s e r t e da tt h e c u n i f ei n t e r f a c e sa n dt h eg m rv a l u e sd e c r e a s e dw h e nn i f el a y e r sw e r e i n s e r t e da tt h ec o f e c ui n t e r f a c e s t h i si m p l i e dt h a tas m o o t ha n dc o n t i n u o u s i n t e r f a c ew a sm o r ee a s i l yo b t a i n e di nc o f e c ut h a ni nn i f e c ui n t e r f a c e s m o o t hi n t e r f a c e ss t r e n g t h e n e dt h ei n t e r r a c i a ls p i n - d e p e n d e n ts c a t t e r i n gt h a t i n c r e a s e dt h eg m r t h ee x c h a n g e c o u p l i n gf i e l d s ( 以) w e r ev e r y d i f f e r e n tw h e t h e rt h e d e p o s i t i o n f i e l d sw e r e a p p l i e d w h e nt h e a n t i f e r r o m a g n e t i c f e r r o m a g n e t i c b i l a y e r s w e r ep r e p a r e d t h ei n d u c e de f f e c t so ft h ed e p o s i t i o nf i e l d sw e r e p r o p i t i o u st oi n c r e a s eb i l a y e r se x c h a n g ea n i s o t r o p y t h ec o e r c i v i t y ( h c ) a n d h 。w e r ec h a n g e d w i t hv a r i o u s a n t i f e r r o m a g n e t i c n i oa n df e r r o m a g n e t i c c o f e l a y e rt h i c k n e s s t h ec r i t i c a lt h i c k n e s so f n i ow a s2 5n m b o t h h 。a n d h 。i n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gn i ol a y e rt h i c k n e s s u n t i l5 0n m t h e yw e r e a l m o s ti n v a r i a b l ew i t hc o n t i n u o u si n c r e a s i n gn i of i l m st h i c k n e s s b o t h h “ a n d 圩。o fb i l a y e r s w e r el i n e a rw i t hc o f et h i nf i l m st h i c k n e s s t h e h 。 v a l u e sf a l lw h e nt h et e s tt e m p e r a t u r e sw e r ee n h a n c e d b u tt h ec o n d i t i o n sw e r e d i f f e r e n tw i t hd i f f e r e n tn i ol a y e r st h i c k n e s s t h eb l o c k i n gt e m p e r a t u r e ( ) w a sa b o u tl6 0 w h e nt h en i ot h i c k n e s sw a s7 0n m t h ee f f e c t so fn i ot e x t u r ea n ds u r f a c er o u g h n e s so nc o f e n i ob i l a y e r e x c h a n g ec o u p l i n g f i e l d sw e r e i n v e s t i g a t e d w i t hv a r i o u s s p u t t e r i n ga r g o n p r e s s u r e a n dw a f e rm a t e r i a l s i tw a sf o u n dt h a tt h e h 。v a l u e ss t r o n g l y d e p e n d o nt h ec o f e n i oi n t e r f a c e r o u g h n e s s w i t h t h ei n c r e a s eo ft h e i n t e r f a c e r o u g h n e s s ，t h eh 。o fc o f e n i ob i l a y e r s d e c r e a s e d i tw a sn o t d e p e n d e n t o nt h ee x i s t e n c eo fn i o ( 111 ) t e x t u r ew h i c hi st h e s p i n u n c o m p e n s a t e dp l a n e ，b e l i e v e dt os t r o n g l yc o r r e l a t ew i t he x c h a n g ec o u p l i n g 华中科技大学博士学位论文 f i e l da c c o r d i n gt ot h et r a d i t i o n a lu n d e r s t a n d i n gf o rt h ea n i s o t r o p i ce x c h a n g e b i a s i n g m e c h a n i s m t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t sw e r e i n t e r p r e t e db y r a n d o m f i e l dm o d e l i ti sa ni m p o r t a n tm e t h o dt oe n h a n c eg m rv a l u e so f s p i n - v a l v e su t i l i z i n g s p e c u l a r r e f l e c t i o no fc o n d u c t i v ee l e c t r o nb e c a u s eo fm e c h a n i s mo fg i a n t m a g n e t o r e s i s t a n c e e f f e c t s s p i nd e p e n d e n ts c a t t e r i n g s p e c u l a r e l e c t r o n s c a t t e r i n gb yc o v e r e da gl a y e r so n t on i f e c u ，c o f ea n dc o f e c u c o f e n i o s t r u c t u r es p i nv a l v e sw e r ef o u n dt oc o n t r i b u t et og i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c e t h e g m rr a t i oa l li n c r e a s e dw i t h2 0 2 4n mt h i c k n e s so fa g s p e c u l a rl a y e r t h e r e s u l t sw e r ec o n s i s t e n tw i t hc a m l e ya n db a r n a s ss e m i c l a s s i c a lt h e o r e t i c m o d e l k e y w o r d s ：s p i n v a l v e ，g i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c e ，e x c h a n g ec o u p l i n g s p e c u l a rr e f l e c t i o n ，s e m i - c l a s s i c a lt h e o r y 一一 v 华中科技大学博士学位论文 1 i 引言 1 绪论 对传统电子器件的应用源于对电予电荷的精确控制。在这晕，我们忽略了电 了还有白旋取向这一事实。一个电子的自旋有两种可能取向。对普通金属，两种 自旋处于耳衡。而对于磁性金属，由于交换作用，这种平衡被破坏，产生了多数 自旋态和少数自旋态。e i 磁电f h ( g i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c e ，6 m r ) 效应就是源于磁性 金属的这一眭质。自1 9 8 8 年mn 、b a i b i c h 1 1 在( f e c r ) 。超晶格多层膜发现巨磁电阻 效应以来巨磁电阻效应及其材料的基础研究和应用研究迅速成为人们关注的热 l i 2 - 6 1 。随后相继在“铁磁金属非磁性金属铁磁金属”三明治结构自旋阀( s p i nv a l v e s v ) 多层膜 7 , 8 1 “铁磁会属非磁性金属”颗粒腹l 及“铁磁金属非磁性绝缘体 铁磁金属”自旋相关隧道结( s p i nd e p e n d e n tt u n n e l i n g s d t ) ”引中发现了巨磁电阻效 应。1 9 9 3 年在类钙钛矿l a c a m n o 系列中【13 , 1 4 1 发现庞磁电阻( c o l o s s a l n l a 盘i l e t o r e s i s t a n c e ，c m r ) 效应。 圈1 1f e 、c o 和n ；的电子能态密度示意图 r 多年来巨磁电h 效应的研究发展如此迅速，并且基础研究和应用研究几乎 华中科技大学博士学位论文 齐头并进， r = ! i 成为基础研究快速转化为商业应用的国际典范，并形成了一门新兴的 学科领域一磁电子学 15 3 6 1 ( m a g n e t o e l e c t r o l l i c s ) 或称自旋电子学 1 7 , 1 8 1is p i n e l e c t r o n i c so rs p i n t r o n i c s ) 。与传统的半导体电子器件相比，自旋电子器件具有非 挥发性、快的数据传输速度、低功耗和大的集成度等优点。如果把电子学、光学 和磁学结合起来，更有望产生自旋场效应晶体管( s p i nf i e l de f f e c t t r a n s i s t o r s f e t ) 、自旋发光二极管( s p i nl i g h te m i t t i n gd i o d e ，s l e d ) 、自旋共振隧道器件 ( s p i nr e s o n a n t t u n n e l i n gd e v i c e ，s r t d ) 、t h z 频率光学开关、调制器、编码器、 解码器及用于量子计算、量子通信等装置的新型器件。 应用m o l t 的双流体模型可对多层膜的巨磁电阻效应作出定性的解释1 9 , 2 0 1 。金 属电阻的大小取决于传导电子所受到的散射。散射作用强，电子平均自 j 程短， 电阻大：散射作用弱，电子平均自由程长，电阻小。当多层膜加磁场后，电阻率 减小表明传导电子的平均自由程增大，散射减小，磁场对电阻率的影响可归结于 电子输运过程中与自旋相关的散射。对于一般金属，由于自旋简并，输运过程中 的电子是不必考虑自旋取向的。但在铁磁性金属中，由于交换劈裂，费密面自旋 图1 2 巨磁电阻效应的散射机制示意图 向上与自旋向下的电子态密度( d e n s i l yo fs t a t e s ，d o s ) p j 浮( 如图1 1 所示) 1 2 1 1 , 因 而铁磁性金属的传导电子是自旋极化的。 2 华中科技大学博士学位论文 不同自旋的传导电予其自旋相关的散射大小不一样，所以其平均自由程也不 一样。如果传导电子的自旋与铁磁性金属的磁矩平行时，则其受到的散射弱，平 均自由程长，相应的电阻率低：如果传导电子的自旋与铁磁性金属的磁矩反平行 时，则其受到的散射强，平均自由程短，相应的电阻率高。当相邻铁磁层的磁矩 反平行时，电子在一个铁磁层的散射较弱，则在另一个铁磁层必定遭受较强的散 射，所以整个输运过程电子都遭受较强的散射，故电阻率高；而当相邻铁磁层的 磁矩平行时，自旋与磁矩平行的传导电子在所有铁磁层中均受到较弱的散射，故 电阻率低( 如图1 2 所示) 。虽然m o t t 的双流体模型提出较早，但直到1 9 9 3 年 g u r n e y 等【2 2 】设计了一种自旋阀，才直接由实验证明了铁磁金属自旋向上的电子和 自旋向下的电子具有不同的电导，同时测出了自旋向上的电子和自旋向下的电子 的平均自由程也不相同。 随着人们对巨磁电阻效应的深入研究，已发现在多种材料和结构体系中都存 在巨磁电阻现象。下面简单介绍这些材料和体系的巨磁电阻效应。 1 2 不同体系的巨磁电阻效应 12 1 金属多层膜的巨磁电阻效应 巨磁电阻效应首先是在金属多层膜中发现的。1 9 8 8 年，b a i b i e h 等【1 】用分子束 外延( m o l e c u l a rb e a me p i t a x y ，m b e ) 方法，制备出( f e c r ) n 多层膜( m u l t i l a y e r ) ， 发现在4 2k 时，其磁电阻变化高达4 5 ，这比通常的各向异性磁电阻值 ( a n i s o t r o p i cm a g n e t o r e s i s 协n c e ，a m r ) 大得多，所以称为巨磁电阻。图1 3 是这 种多层膜的磁电阻曲线和结构示意图。在这里，我们把巨磁电阻变化率定义为： g m r = a r r = ( r ，一r ，) r f( 1 1 ) 其中r a f 是零外磁场时的电阻率，这时候多层膜处于反铁磁耦合排列；r f 是饱和 外磁场时的电阻率，这时候多层膜处于铁磁耦合排列。 在( f e c r ) 多层膜发现了g m r 之后，人们随后在更多多层膜系统发现了 g m r 。如( c o c u ) 系统【2 3 3 0 1 ，( c o f e c u ) 系统【3 1 , 3 2 1 ，( n i f e c u ) 系统【3 3 33 9 ，( c o a u ) 系统 4 0 - 4 2 ，( n i f e a g ) 系统4 3 4 6 1 等。目前发现的多层膜室温g m r 值已达到8 0 1 2 5 】。 华中科技大学博士学位论文 图1 - 3 ( f e c r ) 。多层膜4 2k 温度下的g m r 曲线 上面所介绍的金属多层膜都为连续多层膜。除此以外，还有不连续多层膜 4 7 - 4 9 1 ，图型式多层膜，多层膜线5 1 彤1 等不同形式的多层膜也在研究和开发之中。 1 2 2 自旋阀结构的巨磁电阻效应 虽然多层膜的g m r 较大，但由于达到g m r 最大值的饱和磁场值也较高，例 如要使( c o c u ) 。多层膜的g m r 达到8 0 ，其饱和磁场要高达1 5k o e 。所以单位 磁场的灵敏度并不高。要解决这个问题，一方面可寻找饱和磁场凰低的材料组成， 另一方面有人提出了采用自旋阀( s p i n v a l v e ) 多层膜结构【”。 自旋阀多层膜有钉扎型和非钉扎型两类。钉扎型自旋阀一般由反铁磁性钉扎 层a f m 、铁磁性被钉扎层f m l 、非磁性隔离层n m 和铁磁性自由层f m 2 构成 5 5 - 6 2 。 a f m 层的作用是通过与f m l 层间交换耦合对f m l 实行钉扎，使得a f m f m i 双层 膜的矫顽力较大，而f m l 与f m 2 之间由于有一非磁性金属中间隔离层，它们之间 的耦合随中间隔离层的厚度f 。，的变化而在铁磁性耦台与反铁磁性耦合之间呈周期 4 华中科技大学博士学位论文 性振荡坤”1 ，当r 。，很小，约为几个埃时，为反铁磁性耦合；当增加到约二十埃时， 为弱铁磁性耦合；再增加，耦合在弱铁磁性耦合与反铁磁性耦合之间振荡，振荡 周期与中间隔离层的材料和铁磁层的材料有关。白旋阀中间隔离层的厚度选取要 求使两磁性层耦合为弱铁磁耦合或无耦合状态。非钉扎型自旋阀则是直接利用两 磁性层的矫顽力的不同【6 5 。6 8 1 ，也称为矫顽力差异型自旋阀。与钉扎型自旋阀相比， 非钉扎型自旋阀具有结构和制各工艺简单的优点。 1 2 3 纳米颗粒膜的巨磁电阻效应 纳米颗粒膜( g r a n u l a rf i l m ) 是指把磁性金属颗粒分散于基质薄膜中而形成的 多相体系。如把c o 纳米颗粒分散于a g 基质中而构成的c o - - a g 颗粒膜。纳米颗 粒的尺寸一般小于5n m ，颗粒之间的距离在1 0n m 以下，小于体系中电子的平 均自由程。 金属多层膜的g m r 效应源于电子的自旋相关散射。从本质上讲，颗粒膜和 多层膜没有什么差别。电子在颗粒膜中输运时，将受到磁性颗粒的体散射和磁性 颗粒的界面散射，其原理示意于图1 - 4 。目前纳米颗粒膜的研究主要集中在两大 材料体系：a g 系和c u 系。a g 系有f e a g 6 9 - 7 3 ，c o a g t l l , 7 4 - 8 0 ，n i 。a g 8 1 , 8 2 1 ， c o f e a g t 8 3 , 8 4 j ，n i c o a g 8 5 , s 6 等；c u 系有：f e c u 8 7 , 9 0 1 ，c o c u t l 0 , 1 1 , 9 1 - 9 3 ，c o f e c u l 9 a , 9 5 n i c o c u 【9 6 】等。 瓣躏 锚 珏 图1 - 4 纳米颗粒膜的自旋相关散射：( a ) 无外加磁场；( b ) 有外加磁场 目前室温下c o - a g 颗粒膜的g m r 值已达3 0 ，但由于纳米颗粒的超顺磁性，颗 粒膜的饱和磁场超过i t ( t e s l a ，t ) ，这阻止了颗粒g m r 材料的商业应用。 p ，i _ i _ 一 华中科技大学博士学位论文 1 2 4 磁隧道结的巨磁电阻效应 所谓“磁隧道结( m a g n e t i ct u n n e lj u n c t i o n s ，m t j ) ”是指由“铁磁金属非 磁绝缘体铁磁金属”组成的三明治结构。其产生的巨磁电阻效应也称隧磁电 b l t ( t u n n e lm a g n e t o r e s i s t a n c e ，t m r ) 效应。早在二十多年前j u l l i e r e | 9 7 就研究了 图1 - 5f e a 1 2 0 3 f e 磁隧道结的室温t m r h 曲线 这种系统，并指出其磁电阻效应来源于两个铁磁层中自旋向上电子和自旋向下电 子态密度的不对称性。根据j u l l i e r e l 9 7 】和m a e k a w a l 9 8 】等的理论模型，t m r 可表示 为： t m r = ( r 。一r ，) r ，= 2 置b ( 1 一只b ) ( 1 - 2 ) 式中r a f 和r f 是磁隧道结反平行自旋态和平行自旋态的电阻；尸，和n 分别为两 铁磁层的自旋极化度： p t ( i = 1 , 2 ，= 戮渊 m ， 式中d 伍一为f e r m i 面处的态密度。室温下大的t m r 的研究报道见于1 9 9 5 年。m i y a z a k i t 9 9 ，1 0 0 】等报道的f e a 1 2 0 3 f e 磁隧道结的室温下的t m r 达1 8 。 图1 5 是其对应的磁电阻曲线。与此同时，m o o d e r a 1 0 1 。1 0 3 】等报道的 c o f e a 1 2 0 3 c o ( n i f e ) 磁隧道结室温t m r 高达2 2 。目前所研究的磁隧道结分为 6 华中科技大学博士学位论文 矫顽力差异型和钉扎型两大类。前面介绍的是矫顽力差异型磁隧道结，钉扎型磁 隧道结是利用反铁磁层的交换作用钉扎住一个铁磁层的磁化强度而另一铁磁层的 磁化强度可相对自由翻转。如i r m r d c o f e a 1 2 0 3 c o f e 磁隧道结，其室温t m r 已 高达4 1 【1 0 4 1 。 1 2 5 氧化物的巨磁电阻效应 1 2 冒。 g4 龟 o 咖 图1 - 67 7 k 温度时l a c a m n o 薄膜的c m r - - h 曲线 1 9 9 3 年，h e l m o l t 等在l a 2 ，3 b a i ，3 m n 0 3 氧化物薄膜中观察到其室温g m r 值 高达6 0 【1 3 】，这一发现把巨磁电阻的研究从金属推至氧化物。由于g m r 值很大， 所以又称为庞磁电阻( c o l o s s a lm a 馨n e t o r e s i s t a n c e ，c m r ) 效应。图1 6 给出外延生 长的l a c a m n o 薄膜的c m r 1 0 s 。这里c m r 表示为： c m r = a r r h = ( r o r h ) r h ( 1 - 4 ) 其中r d 是零磁场电阻，r 1 = r 是外加磁场作用下的电阻。从图中看出外磁场h = 6 t 时c m r 为1 2 7 0 0 0 ，与金属多层膜系统的g m r 值相比较要大得多。但需要几个 特斯拉( t e s l a ，t ) 的强磁场才能观测到这类氧化物膜的c m r 。虽然k u w a h a r a 等 在相对低的磁场下( 0 4 t ) 从单晶( n d ，s m ) l a s r i 2 m n 0 3 观察到3 个数量级的c m r ， 但距实际应用仍然有相当困难。具有c m r 效应的氧化物有：钙钛矿结构的稀土锰 氧化物( l n l - x m 。m n 0 3 , l n 为稀土镧系元素，a 为二价金属c a 、s r 、b a 、p b 等) 、 烧绿石结构的铊锰氧化物( t 1 2 m n 2 0 7 或其衍生物t 1 2 。s c ，m n 2 0 71 1 0 6 、尖晶石结构 华中科技大学博士学位论文 的硫属化合物( 如f e l 。c u 。c r 2 s 4 ) 1 0 7 1 ，甚至一些变价稀土的二元硫化物或它们的掺 杂衍生物1 0 8 1 。 早在五、六十年代人们用双交换作用模型 10 9 , 1 1 0 】定性地研究了稀土掺杂锰氧 化物在掺杂前后由反铁磁转变为铁磁、由非导体转变为导体的现象。但用双交换 作用模型来解释c m r 效应与实验结果有较大差距。有人认为必须考虑j a h n t e l l e r 效应引起的电声子耦合作用和电荷有序的影响【1 l 。总的说来目前c m r 效应的物 理机制还不十分清楚。 1 3 巨磁电阻的应用磁电子学器件 1 3 1 巨磁电阻磁头 g m r 材料首先是作为计算机硬盘的读出磁头而被商业化应用的。图1 7 是 i b m 公司最早设计的自旋阀型磁头的原理示意图。自由层和被钉扎铁磁层被非磁 反蕞磊 图1 7g m r 读出磁头的工作原理 性金属层隔开，通过反铁磁层的交换耦合，铁磁层的磁矩被钉扎在y 轴方向，自由层 磁矩随信号场变化而翻转。自旋阀总的电阻变化可表示为： a ro cc o s ( o , 一0 2 ) o cs i n 9 t ( 1 - 5 ) 如果自由层的单轴各向异性难磁化轴横向信号场取向时，则有s i n 9 。* h ，而 x，l 华中科技大学博士学位论文 ro cs i n 0 ，所以有a ro c h ，即电阻的变化与磁场线性响应。目前利用g m r 效应来 制成的g m r 磁头主要是使用自旋闽结构2 j 。 信息技术的发展要求高密度、大容量及小型化的外存储系统，超高密度磁盘 的发展使每记录单元的尺寸减d , n 亚微米尺寸，因而其产生的待测试磁场很微弱； 另一方面，磁盘的小型化使其线速度减小，传统的感应式磁头无法得到足够的信噪 比。虽然用各向异性磁电阻( a m r ) 磁头提高了磁盘的储存密度和灵敏度，且读 出信号不受记录媒质运动速度的影响，但其弱小的a m r 磁电阻率和a m r 磁头固 有的巴克豪森( b a r k h a u s e n ) 噪音，是a m r 磁头的重要不足。g m r 磁头以其大 的磁电阻变化率，并克服了巴克豪森噪音，因而大大地增加了磁头的灵敏度和可 靠性，使高密度磁盘技未取得突破。从1 9 9 1 年起，磁存储密度以每年6 0 的速 度递增。1 9 9 7 年以后更是以每年1 0 0 的速度递增。2 0 0 0 年，g m r 磁头的世界 年产值已超过1 0 0 亿美元。在存储密度增加的同时，磁头的尺寸却越来越小。 图1 8i b m 公司硬盘驱动器面密度的发展历程 i b m 公司一直是国际上硬磁盘和磁头生产的主导者。在g m r 磁头的研究和 商品化方面也不例外。1 9 9 4 年i b m 公司首次使用的g m r 效应自旋阎磁头，硬盘 面密度为1 g b i n c h 2 ；1 9 9 5 年i b m 公司宣布了面密度为3 g b i n c h 2 的g m r 磁头l l3 】； 9 华中科技大学博士学位论文 其后世界纪录一再打破i “”。1 9 9 8 年i b m 公司宣布在磁盘驱动器中使用的商品 化g m r 多层膜磁头面密度已超过5 g b i n c h 2 ，而实验室的g m r 磁头面密度 已达2 0 g b i n c h 2 【1 1 ”。图1 8 是i b m 公司硬盘驱动器面密度的发展历程t t t 8 1 。图中 c g r 表示复合年增长率( c o m p o u n da n n u a lg r o w t h ，c g r ) 。 日本的硬盘和磁头技术也处于世界前列。1 9 9 4 年日本工业界投资l o 亿日元， 从1 9 9 5 年2 0 0 0 年资助3 4 所大学和2 1 家公司联合实旌s r c 计划( s t o r a g e r e s e a r c hc o n s o r t i u mp r o g r a m ) ，该计划的目标是实现g m r 磁头面密度 2 0 g b i n c h 2 。由于存储技术在信息社会中的重要地位，日本政府又投入5 0 亿日元， 从1 9 9 6 年2 0 0 1 年资助s r c 成员单位实旆a s e t 计划( a s s o c i a t i o no f s u p e r a d v a n c e de l e c t r o n i c st e c h n ，i o g y ) 。目前，s r c 计划和a s e t 计划1 9 9 8 年已 在实验室实现了面密度4 0 g b i n c h 2 ，并预计到2 0 0 3 年实现1 0 0 0 b ，i n c h 2 【i l9 1 。利用磁 隧道结技术，t d k 公司已研究出面密度5 0 g b i n c h 2 的t m r 磁头【1 2 0 1 。最近f u j i a s u 公司已有1 0 6 g b i n