（微电子学与固体电子学专业论文）自旋阀中的极化输运及相关自旋新材料、结构研究.pdf

摘要 摘要 电子既是电荷的载体又是自旋的载体。电子作为电荷的载体，使二十世纪无 疑成为了微电子学的天下。而随着1 9 8 8 年巨磁电阻( 6 m r ) 效应发现以来，通过操 纵电子的另一量子属性自旋，使新一代的电子器件又多了一维控制手段。 电子自旋的研究涵盖了金属磁性多层膜、磁性氧化物、磁性半导体等众多的 体系，探寻这些体系中自旋输运的基本原理是研究的重点。目前，基于传统自旋 阀中极化输运及自旋电子学发展对新材料、新结构的研究尚不成熟，还有众多科 学问题亟待解决，诸如：如何在室温下获得更大的巨磁电阻变化率、提高器件的 稳定性及灵敏度、自旋阀中交换偏置场产生的物理根源、实现自旋同半导体完美 结合的材料、结构及方法等。因此，本论文研究工作基于国内外自旋电子学研究 的重点，首先围绕最基本的自旋阀纳米多层膜结构，开展了自旋阀多层膜制备、 设计、结构优化、白旋阀交换偏置核心结构物理机制探索等研究：其次，提出了 三种异质结新结构，并以大自旋极化率f e 3 0 4 磁性半金属为核心材料，开展了自旋 阀、新异质结研究；最后，在理论、材料研究基础上，对自旋器件进行了设计与 实验研究，获得了一些有益的结果。主要内容为： ( 1 ) 理论方面，基于自旋电子器件的进一步发展对新结构、新材料发展需求， 提出了磁性半导体半导体、磁性半导体磁性半导体、自旋滤波材料自旋滤波材料 的新自旋异质结模型，理论分析发现利用磁性半导体半导体异质结在负偏压的作 用下可实现自旋电子的极化输运，而利用磁性半导体磁性半导体、自旋滤波材料 自旋滤波材料异质结可实现趋于1 0 0 的磁电阻变化率，另外通过计算对可实现的 磁阻效应及对材料的要求进行了详细的研究，为新材料的应用奠定了一定的理论 基础。 ( 2 ) 虽然基于自旋阀核心结构的自旋电子器件研究已开展了多年，但如何进一 步提高自旋电子器件的磁电阻效应、灵敏度、工作范围、工作稳定性等，探寻解 决这些问题的物理机制仍是自旋电子学中的一个热点研究课题。因而，首先基于 m o t t 二流体模型发现自旋阀巨磁电阻受磁性材料、非磁性材料、自旋极化率、自 旋扩散长度、厚度、尺寸、电阻率等影响明显，因而可通过改善制备工艺条件及 各层的材料、厚度改善自旋阀的性能，探寻提高巨磁电阻变化率、灵敏度等的有 效途径。其次，以理论分析为指导，实验上首先制备t a n i f e c u n i f e f e m n 传统 摘要 自旋阀多层膜，研究了自由层、隔离层、钉扎层、反铁磁层厚度对巨磁电阻效应 的影响，找到了最佳的制备工艺；其次，研究了缓冲层材料对自旋阀灵敏度、巨 磁电阻效应的影响，发现由于缓冲层元素表面自由能的影响导致了自旋阀灵敏度 的改变，指出选择适当表面自由能的缓冲层，可有效改善自由层薄膜的性能，为 提高器件的灵敏度提供有效的途径；最后，基于室温磁场下制备白旋阀交换偏置 场较小、工作范围较窄的问题，通过对传统结构的改进，提出了新型双交换偏置 场自旋阀模型，为增大器件工作稳定性、人为调制器件工作范围的提供了有效手 段。 ( 3 ) 交换偏置在自旋电子器件中具有核心地位，但到目前为止其产生的物理根 源、影响其大小的因素仍是一未解决的难题。因而，本论文基于自旋阀的核心结 构铁磁反铁磁交换偏置效应，研究了n i f e f e m n 双层膜钉扎层、被钉扎层厚 度、材料微结构、底钉扎、顶钉扎结构等对交换偏置的影响，分析了交换偏置产 生的物理根源；研究了制备磁场大小对钉扎场大小的影响，发现了利用大磁场可 实现提高交换偏置的新方法，并利用6 5 0 0 e 的大磁场在1 - 2 n m 的n i f e 钉扎层中实 现了接近6 0 0 0 e 的交换偏置场。 ( 4 ) 基于自旋阀测试，研究了初始测试磁场平行与反平行于交换偏置场方向， 测试电流的大小对交换偏置场的影响，并用大脉冲电流在初始测试磁场反平行于 交换偏置场方向的样品中首次实现电流矩在电流沿膜面流动自旋阀结构中对钉扎 场的翻转，为铁磁反铁磁双层膜体系产生交换偏置的机理提供了新的研究途径， 并对自旋阀的应用提出了新的挑战。 ( 5 ) 为探寻高自旋极化率的新材料，开展了半金属磁性材料f e 3 0 a 薄膜制备工 艺的研究。通过改变溅射功率、退火温度、缓冲层、磁场沉积等，在2 0 0 w 溅射 功率、3 0 0 。c 的退火温度、3 0 0 0 e 沉积磁场的最佳条件下获得了高晶粒织构、成分 单一f e 3 0 4 薄膜，并通过对氧气氛的调节，实现了无缓冲层高性能f e 3 0 4 薄膜的制 备。 ( 6 ) 禾t j 用所制备的f e 3 0 4 薄膜，进行了基于f e 3 0 4 自旋阀的制备，发现f e 3 0 4 薄 膜同其它金属材料间电阻率的失配，是造成巨磁电阻效应低的原因；另外，基于 理论提出的磁性材料半导体异质结，制备了f e 3 0 , d n s i 纳米结，初步实现了磁性 材料到半导体的自旋注入与输运。 关键词：自旋极化输运，自旋阀，巨磁电阻效应，交换偏置，f e 3 0 4 磁性半金属 a b s t r a c t a b s t r a c t e l e c t r o n sa r et i n ym a g n e t s 鹊w e l l 嬲e l e m e n t a r yc h a r g e dp a r t i c l e s t h ee l e c t r o n a c t i n ga sc h a r g em a k e st h el a s th a l fo ft h e2 0 伪c e n t u r yb ec a l l e dt h em i c r o e l e c t r o n i c se r a s i n c et h ed i s c o v e r yo fg i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c e ( g m r ) e f f e c ti n19 8 8 ，b yi n c o r p o r a t i n g o n eo ft h e s eq u a n t u me f f e c t s ，e l e c t r o ns p i n , i n t od e v i c ed e s i g n ，s p i n t r o n i c so f f e r san e w d i m e n s i o nt ot h ep r a c t i c eo fe l e c t r o n i c s t h ea p p r o a c ht os p i n t r o n i c si sv e r yb r o a da n di n c l u d e st h ei n v e s t i g a t i o no fs p i n d e p e n d e n tp r o c e s s e si nv a r i o u ss y s t e m sr a n g i n gf r o mm e t a l l i cm u l t i l a y e r sv i ao x i d e m a g n e t st os e m i c o n d u c t o r s a tp r e s e n t , t h e r ea r en u m e r o u si s s u e sw h i c ha r en e e d e dt o s o l v e ，b a s e do ns p i n d e p e n t e n tt r a n s p o r ti ns p i nv a l v e ( s v ) a n ds a t i s f i e d 研mt h e r e q u i r i n go fn e wm a t e r i a la n ds t r u c t u r ef o rs p i n t r o n i c s ，s u c ha sa c h i e v e m e n tl a r g eg m r , i m p r o v i n gs t a b i l i t ya n ds e n s i t i v i t y , u n d e r s t a n d i n go fm i c r o s c o p i co r i g mo fe x c h a n g e b i a sp h e n o m e n o n ，f m d i n gt h en e wm a t e r i a l s ，s t r u c t u r e sa n dm e t h o d sf o rc o m b i n i n g f e r r o m a g n e t sa n ds e m i c o n d u c t o r s ，e t c i nt h i st h e s i s ，d e s i g n , f a b r i c a t i o n ，o p t i m i z e d s t r u c t u r e so fs va n de x c h a n g eb i a sh a v eb e e nr e s e a r c h e d f u r t h e r m o r e ，t h r e ek i n d so f n e wh e t e r o j u c t i o n sf o rs p i n - d e p e n d e n tt r a n s p o r th a v eb e e np r o p o s e da n dt h e o r e t i c a l l y a n a l y z e d i na d d i t i o n ，b a s e do nt h em s e a r c ho fm a g n e t i ch a l f - m e t a l l i cf e 3 0 4 ，t h es va n d f e 3 0 4 n - s ih e t e r o j u c t i o nh a sb e e ni n v e s t i g a t e di nd e t a i l t h em a j o rr e s u l t sa r es u m m a r i z e d 髂f 。l l o w s ： ( 1 ) f o l l o w i n gt h ed e v e l o p m e n to fs p i n t r o n i cd e v i c e s ，f e r r o m a g n e t i c s e m i c o n d u c t o r s n o r m a ls e m i c o n d u c t o r s ，f e r r o m a g n e t i cs e m i c o n d u c t o r s f e r r o m a g n e t i c s e m i c o n d u c t o r sa n ds p i nf i l t e ri s p i l nf i l t e ri ih y b r i dj u n c t i o n sh a v eb e e np r o p o s e da n d t h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no f t h e s ej u n c t i o n ss h o w e dt h a t s p i n d e p e n d e n tt r a n s p o r tc a nb er e a l i z e di nf e r r o m a g n e t i cs e m i c o n d u c t o r s n o r m a l s e m i c o n d u c t o r sj u n c t i o nw h e nar e v e r s a lb i a sv o l t a g ei sa p p l i e d i na d d i t i o n ，a d t o p i n g f e r r o m a g n e t i cs e m i c o n d u c t o r s f e r r o m a g n e t i cs e m i c o n d u c t o r sa n ds p i nf i l t e ri s p i nf i l t e r i ih y b r i dj u n c t i o n sal a r g em a g n e t o r e s i s t a n c en e a r l y10 0 c a nb ea c h i e v e d t h e s en e w s t r u c t u r e sg i v ean e ww a yf o rs p i n t r o n i cm a t e r i a la p p l i c a t i o n ( 2 ) 髓es p i nv a l v ef o rs p i n t r o n i ca p p l i c a t i o nh a sb e e nr e s e a r c h e df o ral o n gt i m e ， i i i a b s l r a c 。i 。 b u tt h e r ea r ea l s oal o to fi s s u e sw h i c hh a v e n tb e e ns o l v e d ，s u c ha si m p r o v i n gg m r e f f e c ta n ds e n s i t i v i t y , e x p a n d i n gs w i t c h i n gw i n d o w , e t e t h e r e f o r e ，b a s e do nm o t tt w o s p i nc h a n n e lm o d e l ，t h er e a s o n s f o ri m p a c t i n go fg m ke f f e c tw e r es t u d i e d s i n c et h e m a g n e t i cm a t e r i a l s ，n o r m a lm e t a l l i cm a t e r i a l ，s p i np o l a r i z a t i o n ，s p i nd i f f u s i o nl e n g t h ， f i l mt h i c k n e s sa n dr e s i s t i v i t ya r ei m p o r t a n tf o rg m re f f e c t ，m a n ya t t e m p t sc a n b em a d e i nf a b r i c a t i o np r o c e s st oi m p r o v eg m re f f e c ta n ds e n s i t i v i t yo fs v t h eb a s i cs t r u c t u r e o ft h es v st a n i f e c u n i f e f e m nw e r ef a b r i c a t e d t h ee f f e c to ft h i c k n e s so ff r e el a y e l s p a c e rl a y e r ，p i n n e dl a y e r ，a n t i f e r r o m a g n e t i cl a y e rw e r ei n v e s t i g a t e d ，a n dt h eo p t i m u m g r o w t he o n d i t i o nw a sf o u n d f u r t h e r m o r et h ee f f e c to fs e n s i t i v i t ya n dg m r e f f e c tb y t h es v sw i t hd i f f e r e n tu n d e r l a y e r sw e r es t u d i e d a sar e s u l t ，h i 曲- s e n s i t i v i t ys p i n v a l v e s c a nb ea c h i e v e db yc h o o s i n gu n d e r l a y e rm a t e r i a lw i t hp r o p e rs u r f a c ef r e ee n e r g y m o r e o v e r , w eh a v ep r o p o s e dan e wt y p eo fd o u b l ee x c h a n g e - b i a s e ds v w i t ht w o f e r r o m a g n e t i cl a y e r se x c h a n g eb i a s e di no p p o s i t ed i r e c t i o n sb y t w oa n t i f e r r o m a g n e t i c l a y e r s s i n c et h em o d i f i e ds ve x p a n d i n g t h es w i t c h i n gw i n d o wo fa n t i p a r a l l e ls t a t e ，i t c a u s e sf a b r i c a t i n gt l l es vm o r ef l e x i b l e ，a n de s p e c i a l l yf o r 也es v s ，i nw h i c he n o u g h l a r g ee x c h a n g ec o u p l i n gc a n tb er e a l i z e da ts o m ef a b r i c a t i n gc o n d i t i o n s ( 3 ) t h ec o r es t r u c t u r e ( f e r r o m a g n e t i cl a y e r a n t i f e r r o m a g n e t i cl a y e r ) o f s v m u l t i l a y e rw a sp r e p a r e d t oi n v e s t i g a t et h ee x c h a n g eb i a sv a r i a t i o n so ft h ep i n n e dl a y e r , a n t i f e r r o m a g n e t i cl a y e r , m i c r o s t r u c t u r eo ft h ef i l m s ，a n dt h es t r u c t u r eo fs v a c c o r d i n g t ot h er e s e a r c hr e s u l t s ，t h em i c r o s c o p i co r i g i no fe x c h a n g eb i a sw a sa n a l y z e d f u r t h e r m o r e ，i m p r o v e m e n to fe x c h a n g eb i a sf i e l d si n t h es a m et h i c k n e s so fp i n n e dl a y e r h a sb e e nf o u n di ns vb ye n h a n c i n gt h ed e p o s i t i o nm a g n e t i cf i e l d s ，a n d6 0 0 0 ee x c h a n g e b i a sf i e l dh a sb e e nf o u n di ns vm u l t i l a y e rw i t hu l t r a t h i np i n n e dn i f el a y e r s ( 1 - 2 n m ) ， i nw h i c hal a r g ec o n s t a n tm a g n e t i cf i e l do f6 5 0 0 ew a sa p p l i e dd u r i n gf i l md e p o s i t i o n p r o c e s s i o n ( 4 ) i nt e s t i n go fs v , w e h a v ef i r s tf o u n dt h a tac u r r e n tf l o w i n gi nad i r e c t i o nn o t p e r p e n d i c u l a r t ot h el a y e rp l a n e so fa ne x c h a n g e b i a s e ds p i nv a l v es y s t e m a t i c a l l y c h a n g e st h ee x c h a n g eb i a s t h e d i r e c t i o no ft h ee x c h a n g eb i a sc a nb ec o m p l e t e l y r e v e r s e dw h e nal a r g ee n o u g hc u r r e n ti sa p p l i e d t h i se f f e c to c c u r so n l yw h e n t h e d i r e c t i o no ft h ei n i t i a ls w e e p i n gm a g n e t i cf i e l di sa n t i p a r a l l e lt ot h ee x c h a n g e 。b i a sf i e l d - t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l tn o to n l y r a i s e saq u e s t i o no v e ra p p l i c a t i o n ss u c ha ss v , b u ta l s o p r o v i d e san e ww a y t oa c c o u n ti nd e t a i lf o rt h ed o m a i ns t r u c t u r ea ta na f m f m i v a b s t r a c t i n t e r f a c e ( 5 ) i no r d e rt of i n dt h el a r g es p i i lp o l a r i z a t i o nn e wm a t e r i a l sf o ra p p l i c a t i o n ， h a l f - m e t a l l i cf e 3 0 4f i l mh a sb e e ni n v e s t i g a t e d t h eo p t i m u mg r o w t hc o n d i t i o nf o r s t o i c h i o m e t r i ca n d h i g h c r y s t a l l o g r a p h i cq u a l i t yo fg r o w t hf e 3 0 4 i sa s p u t t e r i n gp o w e r 2 0 0 w , a n n e a l i n gt e m p e r a t u r e3 0 0 c ，a n dd e p o s i t i o nu n d e r3 0 0 0 ee x t e m a lf i e l d ( 6 ) m o r e o v e r , f e 3 0 4f i l mw a su s e dt of a b r i c a t es vt h er e s u l t ss h o w e dt h a tg m r e f f e c ti sv e r yl o wf o rf e 3 0 4s p i nv a l v ed u et ot h em i s m a t c ho ft h ee l e c t r o nd e n s i t i e si n f e r r o m a g n e t i cl a y e ra n dn o r m a lm e t a l l i cl a y e r i na d d i t i o n ，t h ef e 3 0 d n s ih e t e r o j u c t i o n w a sa l s of a b r i c a t e d n em e a s u r e m e n t sa r ec o n s i s t e n tw i t l lt h e o r e t i c a la n a l y t i cr e s u l t so f f e r r o m a g n e t s e m i c o n d u c t o rj u n c t i o n t i l i sn e w s t r u c t u r ea l s og i v ean e ww a yf o rs p i n i n j e c t i o na n dt r a n s p o r tf r o mm a g n e t i cm a t e r i a lt on o r m a ls e m i c o n d u c t o r k e ) rw o r d s ：s p i n d e p e n d e n tt r a n s p o r t , s p i nv a l v e ，g i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c ee f f e c t , e x c h a n g eb i a s ，m a g n e t i ch a l f - m e t a l l i cf e 3 0 4 v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 娩盔牡 日期：多叩年7 肌日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：摩日鞠 导师签名： 寺蚜、认 日期：口夕年夕月io 日 第一章绪论 第一章绪论 电子具有电荷及自旋两个量子特性，以电场操纵电子的电荷来调制其导电行 为的半导体电子学，在上世纪得到了飞跃的发展，成为了电子器件小型化、电路 芯片大容量化和信息存储高密度化的原动力。但是，由于m o o r e 定律的在物理上 的制约，使得半导体电子器件不可能无限得小型化，迫使各国科学家另辟蹊径探 寻解决的方式。此时，科学家们将目光集中到了电子的另一量子属性自旋， 以此开辟了一门新兴的学科一自旋电子学( 或称磁电子学) 1 - 4 。自旋电子学是建 立在自旋极化和自旋相关电子输运过程基础上，通过磁场操纵电子的自旋取向， 基于电子输运特性与磁有序间的关联效应，调制其传导行为，并制作成具有相应 传感、读写和存储功能器件的一门学科。现在，自旋电子学毫无疑问在基础研究 和工业应用上都是发展最迅速的领域之一。磁阻磁头、磁性随机存储器、自旋晶 体管等基于自旋电子的实用化和原型器件一经提出，引起了自旋电子学理论和应 用上的一场革命。目前对自旋电子学的研究主要基于两个方面：一是针对传统磁 性纳米多层膜，从材料、制各方法、结构上探索提高自旋极化输运稳定性、获得 更大巨磁电阻效应的方法及物理机制，研究自旋阀结构中交换耦合场产生的物理 根源等仍未解决的问题；另一方面，则是针对自旋电子学发展的需求，探寻具有 更大自旋极化率、能同成熟半导体工艺兼容的新材料、新结构，在该方面磁性半 金属材料、稀磁半导体新材料，以及基于它们的磁性半金属半导体、稀磁半导体 半导体等异质结研究发展得如火如荼。因而，本论文研究工作正是根据国际上这 一研究的特点，首先围绕传统的自旋阀纳米多层结构，开展了自旋阀中极化输运 的研究；其次，则是以f e 3 0 4 磁性半金属为核心材料，开展了基于大自旋极化率的 新材料、新异质结结构研究。 1 1 自旋电子学发展概述 在铁磁金属中，由于交换相互作用，电子的能带劈裂成自旋向上和自旋向下 子带，导致两个子带在能量上有一个位移，如图1 1 所示。因此，自旋向下的电子 在费米面附近比自旋向上的电子具有更大的态密度。根据电子输运理论【5 】，传导电 子的散射几率正比于费米面附近的能态密度，因此自旋向下的电子将具有更大的 电子科技大学博士学位论文 散射截面和电阻，从而也导致铁磁金属的电子有着独特的与自旋相关的输运特性。 一 ，、t 衫 v _ 烈h r i 咐1 1 厂_ 、 1 弋r _ 夕 乳r r 0 1 l “ 蕾明潦l 【a ) c o ) 图1 - 1 ( a ) 普通金属和( b ) 铁磁金属能态密度示意图 磁场对金属导电性能地影响很早就被人们注意到了，t h o m s o n 于1 8 5 7 年发现 了铁磁晶体的各向异性磁电阻效应( a n i s o t r o p i cm a g n e t o r e s i s t a n c e ，a m r ) 【6 】，但是 当时并未引起人们的关注。自从计算机出现以后，人们意识到可以将这种各向异 性磁电阻效应应用到磁盘系统中作为读出磁头。1 9 8 5 年，i b m 公司将这样的读出 磁头用于磁带机上。而对自旋电子更具有开拓意义的工作，则始于巨磁电阻( g i a n t m a g n e t o r e s i s t a n c e ，g m r ) 效应的发现。19 8 6 年，德国的g r t i n b e r g 等人在对f e c r f e 三明治薄膜层间耦合研究时发现当c r 层厚度增加至约l n m 时，相邻磁性薄膜之间 发生了从铁磁到反铁磁的渡越【7 】；受该工作的启发，1 9 8 8 年法国巴黎大学f e r t 研 究小组m n b a i b i c h 等人开展了有关f e c r 超晶格的物性研究，发现 【f e ( 3 n m ) c r ( 0 9 n m ) 4 0 超晶格在4 2 k 下，薄膜的电阻值随外加磁场的增加而减小， 当外磁场大于2 t 后，电阻急剧下降至零场的一半，如图l 一2 所示，既使在室温下 磁电阻变化率m r 也有1 7 ( 通常磁电阻变化率m r 表示成电阻变化值与饱和磁 场下电阻值的比，即：m r ：堕塑当烈1 0 0 ) ，远大于常规的各向异性磁阻。其 k ( h s ) 物理本质就是由于相邻的反铁磁耦合磁性层在外磁场作用下由反平行到平行引起 的磁电阻效应，该研究最终导致了g m r 效应的发现【8 1 。 2 第一章绪论 m a g n e t i ch e l dl k g l 图1 - 2f e c r ( 0 0 1 ) 多层膜磁阻曲线( t - = 4 2 k ) g m r 多层膜尽管可以产生很高的m r 值，但强的反铁磁耦合效应同时导致了 一很高的饱和场h s ，限制了其应用。为解决该问题，人们首先提出了一种赝自旋 阀的结构，在该结构中利用具有不同矫顽力的两种材料作为铁磁层，低矫顽力的 铁磁层先在较弱的磁场下实现磁矩方向的改变，从而使两磁性层相对的磁化方向 呈现反铁磁到铁磁的渡越。但在实际应用中，一方面由于矫顽力极易受多种因素 的影响，难以控制；另一方面，磁滞效应限制了器件灵敏度的提高，使得该种结 构目前仅适用于材料磁阻行为的基础研究。而1 9 9 1 年，美国i b m 实验室的b d i e n y 独辟蹊径，利用反铁磁与铁磁之间的层间交换耦合，有效地抑制了b a r k h a u s e n 噪 声，并根据多层膜巨磁电阻效应来源于最简单重复周期的磁电阻效应，提出了铁 磁层隔离层铁磁层反铁磁层自旋n ( s p i nv a l v e ，s v ) 结构，如图1 3 所示，并首先 在n i f e c 洲i f e 佰e m n 自旋阀中发现了一种低饱和场的巨磁电阻效应1 9 1 。作为实现 巨磁电阻效应最重要的一种结构，它的发现为巨磁电阻地应用开辟了广阔的前景。 ( a ) 低阻态( b ) 高阻态 图1 3 ( a ) 自旋阀结构n ( b ) l 作原理概念图 随着多层磁性纳米薄膜巨磁电阻地研究取得重大进展的同时，另一类巨磁电 电子科技大学博士学位论文 阻效应一一基于自旋极化隧穿机制的磁电阻效应( t u n n e l i n gm a g n e t o r e s i s t a n c e ， t m r ) ，逐渐受到了关注，如图1 4 所示。 、e r r o m a 殳ne t i c 7 e l e c i r o d 玉 t u n n e i b a r n e r s h 心l l o wr e s i s t a n c es t a t e t u n n e l b a r r i l 2 i “1 玎 h i g hr e s i s t a n c es t a l e t u n n e l b a r r i e r 图i - 4 隧道结结构及电子隧穿示意图 1 9 9 5 年，日本东北大学科学家m i y a z a k i 和他的同事首次在f e a 1 2 0 3 f e 隧道结 上获得了室温下1 8 的隧道磁电阻效应d o - n 】；同年，m o o d e r a 等研究人员采用真空 蒸发低温沉积技术在c o f e a 1 2 0 3 c o 平面型隧道结中同样获得了高达1 1 8 的隧道 磁电阻效应【1 2 以引。目前，自旋阀型及基于自旋隧穿机制的磁电阻已被广泛的应用 到了磁阻传感器、磁性随机存储器( m a g n e t i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y , m r a m ) 、计 算机磁头等自旋电子器件中。 随着对自旋电子学研究的深入，最近人们又将目光集中到了以半导体、磁性 半金属材料、稀磁半导体为基础的自旋极化输运、注入、检测与操纵研究。1 9 9 0 年，s d a t t a 和b d a s 基于生长于半导体上的磁性薄膜提出了自旋极化场效应管 ( s p i nf e t ) 的设想，开创了磁性材料同半导体相结合的篇章4 j ；1 9 9 0 年，gp r i n z 在半导体上成功地生长出高质量的铁磁金属薄膜，预示着这类基于磁性金属材料 同半导体相结合的自旋电子器件可以采用常规的半导体工艺加以实现i l5 】；1 9 9 5 年， d j m o n s m a 自旋阀型自旋晶体管地研制成功，实现了磁性金属材料同半导体相结 合的第一个混合器件，如图1 5 所示【1 6 - 1 7 ；而1 9 9 6 年日本科学家h o h n o 首次制 备了1 0 0 k 温度下的m n 掺杂g a a s 稀磁半导体【1 8 j 及1 9 9 9 年d d a w s c h a l o m 和j m k i k k a w a 利用极化光有效地实现了半导体中自旋极化电子地注f 入 1 9 1 ，这两个重 大发现，使应用半导体的自旋备受关注。 第一章绪论 ? 乃 ，1 ，。” j 矗一 i r s p i n - v a l wm e l a lb a q e i c 图1 5 自旋阀型晶体管结构示意图 目前，对铁磁半金属材料( f e 3 0 4 2 0 - 2 2 1 、n i m n s b 2 3 - 2 4 、c r 0 2 2 5 - 2 6 】、 l a l x s r x m n 0 3 【2 7 2 8 】等) ，( g a ，m n ) a s 2 9 - 3 0 、( h a ，m n ) a s 3 1 - 3 2 、m n g e 3 3 3 4 1 、z n o ：( c o ， m n ) 3 5 - 3 6 】系列稀磁半导体地深入广泛研究，发现了许多可能对自旋电子学应用有着 重要影响的奇异磁性和输运特性。因而，这类兼备半导体和磁性材料优点的新材 料，被认为是磁电子学进一步实用化的最现实途径和今后发展的主要方向。 1 2 自旋阀型巨磁电阻效应及其应用 1 2 1 自旋阀原理与结构 自旋阀结构由于具有：( 1 ) 磁电阻变化率对外磁场的响应呈线性关系，频率特 性好；( 2 ) 低饱和场，工作磁场小：( 3 ) 与a m r 相比，电阻随磁场变化迅速，因而 操作磁通小，灵敏度高；( 4 ) 利用层间转动磁化过程能有效地抑制b a r k h a u s e n 噪声， 信噪比高等优点，是率先进入实用化阶段的一种结构吲。图1 - 6 为典型的自旋阀 结构图及磁阻曲线。 电子科技大学博士学位论文 獬霉霞? 弹嬲秽习 霞：f e m n ；、j i 一勰觑艘宪。，一鬟 c u 葑i f “间 黪，；+ t a i镡 瞄掘露貔麓癌强嚼l 释芷；叠0 二：l 一：崔：”疆露巍糍翰日鲻 m a g n e t i cf i e l d ( o e ) ( a )( b ) 图1 - 6 ( a ) 自旋阀典型结构及( b ) 磁滞回线、磁阻效应典型曲线 自旋阀结构主要由铁磁层( 自由层) 隔离层( 非磁性层) 铁磁层( 钉扎层) 反铁 磁层组成。两铁磁层被一相对较厚的非磁性层( 如c u ) 分开，致使两磁性层间去耦 合，可在不同大小的磁场发生翻转。因而，在外磁场的作用下，自由层和钉扎层 的磁矩相对取向在平行与反平行间发生变化，从而分别呈低阻和高阻态。在自旋 阀中要呈现明显的巨磁电阻效应必须使传导电子在铁磁层中、铁磁二l p - - 铁磁界面上 的散射是自旋相关的，且电子的自旋平均自由层必须大于隔离层的厚度，两磁性 层呈明显的平行与反平行态。因此要制备低饱和场、高稳定性、大g m r 效应的自 旋阀还面临着诸如非磁性层厚度、反铁磁层材料选择、界面微结构控制机理、交 换耦合场机理、磁阻材料的抗腐蚀和热稳定性等问题。 1 2 2 铁磁反铁磁双层膜中的交换偏置 自旋阀结构是建立在交换各向异性效应基础上，通过反铁磁层与一铁磁层之 间的交换耦合效应，使其磁化取向被钉扎。这样，当外部磁场与钉扎方向相同时， 自由层与钉扎层磁矩的取向一致，电阻小；当外部磁场与钉扎方向不同时，自由 层与钉扎层磁矩的取向不同，电阻大。目前，无论是基于自旋阀c i p 方式( 电流平 行于膜面) 还是c p p 方式( 电流垂直于膜面) 的磁电阻【3 阳9 1 ，铁磁反铁磁双层薄膜 中的交换偏置都是其核心结构，且钉扎层被反铁磁层钉扎的效果将直接影响巨磁 电阻效应的大小。所以基于交换偏置的研究、揭示其物理本质对制备性能优良的 磁电子器件具有极其重要的作用。 如图1 7 所示，铁磁( f m ) 反铁磁( a f m ) 双层膜体系在外磁场中从高于反铁磁 6 第一章绪论 奈尔温度冷却到低温后，铁磁层的磁滞回线将沿磁场方向偏离原点，其偏离量被 称为交换偏置场( 虬) 。 f m a f m 啼 斗啼 斗呻+ 琵l 蒸；盛薹魏i 磊：s 颤菇澎赫锺 岫唔睇i i c 啼斗斗 斗 争p4 4 j 叫 ：卜t t 删 酝囊黝嚣荔：燎勰点麓 一 - - ，1 r - - 刊h c+ h e x 7 l ， 卜卜卜+ 卜卜卜o 卜卜卜一 簧o “| v _ 一，卜。鳓 豪茏缴施疡惫熬磊藏惫渤渤 图l 一7 铁磁反铁磁交换偏置机制图 交换偏置效应最初被wh m e i k l e j o h n 和c eb e a n 于1 9 5 6 年在c o o 颗粒外 壳覆盖的c o 颗粒中首先被发现【4 1 1 ，其被认为是由于反铁磁的c o o 表面层通过 直接交换作用与c o 颗粒产生了耦合效应。尽管该现象被发现已有半个多世纪，但 是直到八十年代末由于g m r 效应的发现和实用化，才引发了全世界范围内研究交 换偏置的热潮。然而时至今日，尽管在交换偏置基础研究和应用方面都已开展了 深入地研究，但有关交换偏置效应的机理与界面相互作用的关联、铁磁层和反铁 磁层材料、厚度以及结构曲线、温度、生长顺序等外在因素地影响仍是目前研究 的一个热点理论及实验课题。 1 2 3 自旋阀巨磁电阻的应用 自旋阀巨磁电阻不但涵盖了多种常用的磁性多层膜材料，而且具有制备工艺、 结构简单，饱和场低，灵敏度高，磁电阻效应大等优点，因此不但在理论研究上 具有非常重要的价值，而且在自旋电子器件中也具有最广泛地应用。下面将详细 介绍自旋阀结构在各种自旋电子器件中地应用情况。 巨磁电阻传感器：磁传感器主要是利用固体元件感知与磁有关的物理