（材料物理与化学专业论文）铁磁隧道结磁电阻及转换特性的研究.pdf

铁磁隧道结磁电阻及转换特性的研究 摘要 随着科学技术的发展，人类社会已经进入了以电脑广泛应用为标志的信息时 代，人们对信息存储容量的要求越来越高。以磁性金属为介质的磁记录器件的记录 密度越来越高，目前商用h d d 存储密度一般为2 0 g b i t i n 2 ，最高的已达5 2 3o b i t i n 2 ， 而实验室的记录密度已达到1t b 彬i n 2 以上。高的存储密度必然要求器件有高的灵敏 度，所以在这方面的科学研究是当今的一个热点之一。上世纪八十年代末b a i b i c h 等在f c c r 金属多层膜中发现了磁电阻效应，称之为巨磁电阻( g m r ) ，在此基础 上1 9 9 1 年d i e n y 研制出的自旋阀结构，在较小的磁场下就可以获得较大的g m r 效 应。1 9 7 5 年j u l l i e r c 发现f e g c c o 隧道结中存在磁电阻效应，被称为隧道磁电阻 ( 喇r ) 。与通常的金属多层膜相比，铁磁层绝缘层铁磁层结构的磁性隧道结结 构具有高内阻、低功耗、输出电压高的特点，其具有广泛的应用前景。 本论文采用离子束溅射和磁控溅射装置制备了铁磁层绝缘层铁磁层结构的 铁磁隧道结，采用四探针法研究了隧道结的电磁特性，观察到隧道结的非线性伏安 特性；研究了不同绝缘层结构和厚度对隧道结磁电阻效应的影响，发现中间绝缘层 结构和厚度与磁电阻值之间的关系；研究了铁磁层厚度对磁电阻的影响，发现在一 定的范围内随铁磁层厚度的增加t m r 值出现周期振荡：研究了不同退火条件对隧 道磁电阻效应的影响。 本论文所属课题为国家自然科学基金( 项目批准号：9 0 2 0 7 0 1 4 ) 资助项目。 关键词巨磁电阻； 磁性隧道结；隧道结磁电阻 喧至鎏墨三銮兰三耋堡主兰堡笙銮 r e s e a r c ho nt h em a g n e t o r e s i s t a n c ea n ds w i t c h i n g b e h a v i o ro ft h ef e r r o m a g n e t i ct u n n e lj u n c t i o n s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h eh u m a ns o c i e t yh a sa l r e a d y e n t e r e da n dt h ei n f o r m a t i o na g ew h i c ht a k e st h ec o m p u t e rw i d e s p r e a da p p l i c a t i o na st h e s y m b o l ，p e o p l eh a v em o r ea n dm o r eh i 出e x p e c t a t i o n s f o rm e m o r y c a p a c i t yo f i n f o r m a t i o n t h em a g n e t i cr e c o r d i n gd e v i c et a k i n gm a g n e t i cm e t a la sm e d i u mi sh i g h e r a n dh j i g h e ri nr e c o r dd e n s i t y , c o m m e r c i a lh d ds t o r a g ed e n s i t yi sg e n e r a l l y2 0g b i v i n 2a t p r e s e n t ，t h eh i g h e s to n e h a sa l r e a d yr e a c h e d5 2 3o b i t f i n z ，a n dt h em e m o r yd e n s i t yo f t h e l a b o r a t o r yh a sa l r e a d yr e a c h e da b o v elt b i t i n 2 t h eh i 曲s t o r a g ed e n s i t ym u s tr e q u i r e t h ed e v i c eh a st h eh j s e n s i t i v i t yi n e v i t a b l y , s ot h es c i e n t i f i cr e s e a r c hi nt h i sr e s p e c ti s o l l eo ft h ec u r r e n tf o c u s e s a tt h ee n do ft h ee i g h t i e so fl a s tc e n t u r y ，b a i b i c ha n do t h e r s c i e n t i s t sf o u n dt h em a g n e t o r e s i s t a n c ee f f e c ti nt h em e t a lm u l t i l a y e rm e m b r a n eo ft h e f e c ra n dc a l l e di tt h eg i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c e ( g m r ) ，t h es p i n n i n gv a l v es t r u c t u r e t h a tw a sd e v e l o p e db yd i e n yi n1 9 9 1o nt h i sb a s i sc a no b t a i nb i g g e rg m re f f e c tu n d e r s m a l l e rm a g n e t i cf i e l d i n1 9 7 5j u l l i e r ed i s c o v e r e dt h a tt h em a g n e t o r e s i s t a n c ee f f e c t e x i s t e di nf e c j e c ot u n n e lj u n c t i o n ，k n o w na st h et u n n e lm a g n e t o r e s i s t a n c ef r m _ g ) c o m p a r e dw i t hc o m m o nm u l t i - l a y e rf i l mo fm e t a l ，t h em a g n e t i ct u n n e lj u n c t i o n s t r u c t u r ef o r m e do ft h ef e r r o m a g n e t i cl a y e r i n s u l a t i i l gb a r r i e r t h ef e r r o m a g n e t i cl a y e r h a v et h ec h a r a c t e r i s t i co ft h eh i 售hh i n d e r , l o wc o n s u m p t i o n , h i 9 1 lo u t p u tv o l t a g e ，w h i c h h a st h ee x m n s i v ea p p l i c a t i o np r o s p e c t t h ep r e s e n tp a p e ru s e dt h ei o n b e a ms p u t t e r i n ga n dm a g n e t r o ns p u t t e r i n g i n s t a l l m e n tt op r e p a r et h ei r o nm a g n e t i ct u n n e l - j u n c t i o ns t r u c t u r e db yt h ef e r r o m a g n e t i c l a y e r i n s u l a t i n gb a r r i e r t h ef e r r o m a g n e t i cl a y e r ，a d o p t e df o u rp r o b em e t h o d t os t u d y t h ee l e c t r o m a g n e t i s mc h a r a c t e r i s t i co ft h et u n n e lj u n c t i o n ，o b s e r v e dt h en o n - l i n e a rv o l t - a m p e r ec h a r a c t e r i s t i ci nt u n n e lj u n c t i o n ；s t u d i e dt h ei n f l u e n c et ot h em a g n e t o r e s i s t a n e e e f f e c to ft h et u n n e lj u n c t i o nt h a ti sa t t r i b u t e dt ot h ed i f i e r e n ti n s u l a t i n gb a r r i e rs t r u c t u r e a n dt h i c k n e s s f o u n dt l l er e l a t i o na m o n gm i d d l ei n s u l a t i n gb a r r i e rs t r u c t u r ea n dt h i c k n e s s a n dv a l u eo fm a g n e t o r e s i s t a n c e ；s t u d i e dt h ei m p a c to nm a g n e t o r e s i s t a n c eo ft h e 1 i - 氅玺鎏蛋苫銮兰苫兰罂圭兰些芝銮 f e r r o m a g n e t i cl a y e rt h i c k n e s s ，f o u n dt h a tt h et m rv a l u ew i l la p p e a rt h ep e r i o d i c o s c i l a t i o ni nt h ec e r t a i ns c o p ea l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ef e r r o m a g n e t i cl a y e r t h i c k n e s s ；s t u d i e dt h ei m p a c to nt h et u n n e lm a g n e t o r e s i s t a n c ee f f e c to ft h ed i f f e r e n t a n n e a l i n gc o n d i t i o n p r e s e n ts u b j e c to ft h e s i sb e l o n g st ot h ep r o j e c ts u b s i d i z e db yt h en a t i o n a ln a t u r a l s c i e n c ef u n d ( p r o j e c ta u t h o r i z a t i o ns a n c t i o nn u m b e r ：9 0 2 0 7 0 1 4 ) k e y w o r d s g i a n t m a g n e t o r e s i s t a n c e ；m a g n e t i c t u n n e l j u n c t i o n ；t u n n e l m a g n c t o r e s i s t a n c e i l l - 啥尔演理工大学工学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着自然科学的发展，人们对客观世界的认识也越来越深入，各学科间的交叉 也越来越广泛。自旋电子学是2 0 世纪末发展起来的交叉科学，也称之为磁电子学。 传统的电子学是研究电子的特性和行为，以及电子器件的物理学科。自旋电子学作 为电子学的进一步分支，它主要研究的是磁性材料中流动的电子电荷与电子自旋 ( 磁矩) 之间的相互作用。自旋电予学在研究电子宏观输运特性的同时也考虑了电 子本身自旋的微观特性。自旋电予学在许多高新技术和基础科学中都有重要的应 用，特别是在信息存储和信息输运方面。因自旋电予学器件较一般电子学器件有很 多优异的性能，能在很多方面取代或补充一般的电子学器件。就目前来说，自旋电 子学研究的主要问题有以下三点：( 1 ) 自旋载体的产生及检测；( 2 ) 自旋相干性的 维持：( 3 ) 自旋极化和自旋相干的破坏。最近人们提出了自旋电子学在量子计算和 量子动力学的相干控制，讨论了固体环境在电子自旋退相干中的作用，研究了自旋 一轨道相互作用对传导电子自旋弛豫的限制效应。多数认为在自旋电子器件中存在各 种混合结构中穿过界面的极化电子的输运。例如，磁性半导体超导体界面就包含了 许多复杂的过程。自旋电子学中研究和应用最多的是巨磁电阻效应，这不仅是因为 它在理论上有些特殊的性质，而且在应用领域如信息存储、传感器、磁记录工业有 着广阔的应用前景。 磁电阻效应( m a g n e t o r e s i s t a n c ee f f e c t ) 是指材料的电阻率在外加磁场的情况下 发生变化的物理现象，可以用ap=ph po 表示，ph 和po 分别表示磁场为日和0 时材料的电阻率。由于磁场对电子的洛伦磁力，它将使电子在输运过程中发生偏转 或产生螺旋运动，从而使材料的电阻增大，这就是普遍存在于所有金属中的正常磁 电阻效应。最早报道发现磁电阻的是t h o m s o d l i 。他在1 8 5 7 年发现了铁磁多晶体的 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 ) ，由于当时磁电阻的数值不大 而且未发现其应用价值所以没有引起人们的广泛关注。直到1 9 7 1 年h u n t t l 提出了 可以利用铁磁合金的各向异性磁电阻效应制作磁盘系统的读出磁头的设想，磁电阻 效应的研究才引起了人们的兴趣，成为当今的一个研究热点之一。1 9 8 5 年i b m 把 h u n t 的设想应用于1 b m 3 4 8 0 磁带机上，研制成功了巨磁阻效应的读出磁头，实现 了磁电阻的实用化。1 9 9 1 年h i t a c h i 公司利用感应式的写入薄膜磁头和坡莫合金制 作的磁电阻式读出磁头组成的复合磁头在3 5i n c h 磁盘上实现了2 g b i n 2 的高记录 密度，其用的坡莫合金( n i 8 2 f e l 8 ) 的各向异性磁电阻效应在室温下的值仅为2 5 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 左右1 3 】。1 9 8 8 年m n b a i b i c h 等人 4 1 研究发现f e c r 金属多层膜中的磁电阻效应比坡 莫合金大一个数量级，在4 2 k 的温度t f e ( 3 n m ) c r ( 0 9 n m ) 4 0 多层膜的磁电阻最大值 可达8 4 ，因为其磁电阻大，所以称之为巨磁电阻效应( g i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c e ， g m r ) 。1 9 9 1 年bd i e n y t ”利用了反铁磁层交换耦合，提出铁磁层隔离层铁磁层 反铁磁层( 钉扎层) 的自旋阀( s p i n - v a l v e ) 结构，并在( n i f e c u n i f e f e m n ) 自 旋阀中发现了低磁场中的巨磁阻效应，因为自旋阀有较高的磁场灵敏度，所以有其 实用价值。随后b e r k o w i t z 等人1 6 1 和x i a o 等人【7 1 分别发现了c o c u 二元异质颗粒镶 嵌膜在低温下的g m r 效应。1 9 9 4 年人们在类钙钛矿l a - c a - m n o 系列中发现了磁 电阻效应1 8 ，在这种钙钛矿型掺杂稀土氧化物中的磁电阻可达1 0 6 1 0 8 ，称之为庞 磁电阻( c o l o s s a lm a g n e t o r e s i s t a n e e ，简称c m r ) 。1 9 7 5 年，j u u i e r e t 9 1 在f e o e c o 隧 道结中发现了磁电阻现象，称之为隧道结磁电阻( t u n n e lm a g n e t o r e s i s t a n c e ，简称 n 很) ，在4 2 k 下磁电阻约为1 4 。随后人们对多种磁性隧道结进行了研究均发现 了t m r ，但结果都不怎么理想，直到1 9 9 5 年m i y a z a k i 等人l ”1 研究发现f e a 1 2 0 3 f e 三明治结构中的隧道磁电阻值在常温下可达1 5 6 ，从而使隧道结磁电阻的实际应 用变为现实。由于磁电阻在信息存储领域有广泛的应用前景，磁电阻的研究引起了 人们的极大兴趣，成为当今科学研究的热点之一。 自旋电子学是随着人们对磁电阻效应的研究而不断向前发展的，磁电阻效应的 发现及其部分磁电阻元器件的成功开发应用，表明了研究磁电阻材料不仅有重大的 科学意义，而且有重要的实际应用价值。 礴性叠曩多晨赓：t g 腿) 1 9 8 8 年 自旋阀结柑c 础”v n v e ) 1 0 9 1 年 钙戟矿拶舞带生簟_ 震舭物cc m r ) r 9 9 碑 陡道结结柑c t 职，i 图i - i 磁电阻分类及其研究进展 f i g 1 - 1r e s e a r c hp r o g r e s s i n ga n dc l a s s i f yo fm a g n o r e s i s t a n e e 磁电阻效应 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 2 磁电阻效应分类概述 磁电阻( m a g n e t o r e s i s t a n c e ，m r ) 效应是指材料的电阻随外加磁场的改变而变化 的物理现象。我们通常用磁电阻比率来描述磁电阻效应的大小，定义如下： 豫：垒旦：p ( h ) - p ( 0 ) 1 0 0 ( 卜1 ) p以o ) 其中p ( h ) 和p ( 0 ) 分别表示材料在外加磁场h 下和无外加磁场时的电阻率。 磁电阻材料的研究主要基于以下两方面的要求：( 1 ) 磁电阻效应与温度的关系。 从实际应用的角度出发，我们需要材料在室温下就有明显的磁电阻效应；( 2 ) 磁灵 敏度的大小及饱和磁场的大小。通常来说，达到最大磁电阻的饱和磁场越小就越有 利于实际的应用。所谓磁场灵敏度( s v ) ，是最大磁电阻与其饱和磁场强度的比值， 即单位磁场所引起的磁电阻变化量。 磁电阻效应由磁电阻值的大小和产生机理的不同，我们可将它们分为：正常磁 电阻、各向异性磁电阻、巨磁电阻、庞磁电阻和隧穿电阻等。 1 2 1正常的磁电阻( o m r ) 正常磁电阻普遍存在于所有磁性和非磁性材料中，由于在外加磁场使材料内部 的电子在输运过程中受到洛伦兹力的作用而改变原来的运动状态，发生偏转或产生 螺旋运动，导致与外加磁场方向的电流分量发生变化，从而对外表现为电阻值升高， 产生磁电阻效应。正常磁电阻效应有以下几个特点： 1 ) 磁电阻值应该为j 下值； 2 ) 各向异性，且p 。 p 。 0 ； 3 ) 当外加磁场强度不大时，m r 与成正比。 通常来说大多少金属的正常磁电阻很小，一般不超过2 3 。在磁场的作 用下，电子的回旋运动频率为o ) o = b o e m * 。假设电子的散射驰豫时间为r ，则产 生大的m r 的条件为f 1 吐，即玩c r 0 n e l 。式中无外加磁场的电导率为 c r 0 = h 8 2 v m + ，l 、e 和聊+ 分别为电子的密度、电荷和有效质量。 以金属c u 为例，l = 8 5 1 0 ”m - 3 ，c r 0 = 7 8 x 1 0 7 q 一1 m ，国。f = 4 7 1 0 - 3 鼠， 根据产生最大m r 的条件( g e t l 就要求b o 2 0 0 t 。实验测得在3 0 t 的磁场下c u 的 正常磁电阻效应为4 0 ，而c u 在1 0 0 e 的磁场下正常磁电阻仅为4 1 0 。8 ，因此， 在低磁场下的正常磁电阻是可以忽略的。但对于某些非磁性金属材料，如金属b i 薄膜和纳米线、非磁性c r a g c r 薄膜具有较高的正常磁电阻效应。室温1 2 t 下， b i 薄膜的正常磁电阻效应为7 2 2 1 。而b i 单晶在低温下正常磁电阻效应可达 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 0 2 1 0 3 【1 2 l ；室温0 3 t 下，i n s b - n i s b 共晶材料的正常磁电阻效应为2 0 0 。尽管 这些具有较高o i v l r 材料的磁场灵敏度不高，但由于具有无磁滞效应、信噪比大的 特点，已经成功应用到磁电阻传感器。 值的指出的是，半导体中的载流子也具有正常磁电阻效应。 1 2 2 各向异性磁电阻( a m r ) 各向异性磁电阻效应( a n i s o l r o p i cm a g n e t o r c s i s t a n c c ，a m r ) ，是指材料的电阻 率随外加磁场和体内电流的相对取向变化而异的现象。其定义如下： a m r ：鱼= 旦x 1 0 0 ( 1 - 2 ) 岛 其中九、岛、风分别代表步 加磁场方向与体内电流方向垂直、外加磁场方向与 体内电流方向平行、无外加磁场下的电阻率。各向异性磁电阻与技术磁化和畴结构 相关，即从退磁状态到磁饱和状态过程中相应的电阻变化。铁磁金属的各向异性磁 电阻一般较小，但能达到实用要求，如坡莫合金，其a m r 值及其磁场灵敏度可以 满足磁记录要求，从上世纪七十年代就应用于计算机磁盘的读出磁头。 1 2 3多层膜中的巨磁电阻( g m r ) 入们是在多层膜结构串最早发现巨磁阻( g i a n t m r ，g m r ) 效应的。一般来说 多层膜结构是由铁磁金属层( f m ) 和非铁磁金属( n m ) 重复叠加 f m m m 。，其 中n 代表重复叠加的次数，这种结构利用非磁性层改变磁性层的磁交换作用，使输 运电子产生不同层度的磁散射面引发巨磁阻。一般来说大多数研究者用下式来定义 巨磁电阻： r 一 、 m r = 二丝兰! ! 1 0 0 ( 1 3 ) p h 其中p 。为材料电阻率的最大值，岛为材料在外加磁场下的电阻率，用该方法定义 的g m r 数值为正，而且可以大于1 0 0 。 自1 9 8 8 年b a i b i c h 等人在f e c r 多层膜中发现巨磁阻效应以来，人们对各种铁 磁层( f e 、n i 、c o 及其合金) 和非磁层( 包括3 d 、4 d 及5 d 非磁金属) 交替生长 的多层膜结构进行了深入广泛的研究。1 9 9 0 年p a r k i n 等入用较简单的磁控溅射方法 制备的多晶f e c r f e 三层膜和f e c r 多层膜同样具有巨磁电阻效应 1 3 1 【1 4 1 ，其中后者 在室温和4 2 k 低温下的g m r 值分别为2 5 和1 1 0 。人们在铁磁合金层非磁层多 层膜中也发现了巨磁电阻，如 n i f e c u 。中( m r - 2 5 ) 、【c o f e a g 。中( m r = 1 0 0 ) ， 其中以多晶 c o c u 。多层膜的磁电阻效应最为突出，其g m r 值在1 0 k o e 饱和磁场 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 下。4 2 k 低温和室温下分别为1 3 0 和7 0 i ”1 。 虽然磁性金属多层膜具有较大的g m r 效应，但是各磁层磁矩方向的平行和反 平行排列是通过铁磁层之间强烈的反铁磁耦合来实现的，得到最大的磁电阻效应需 要很大的饱和磁场，通常为1 0 k o e 的量级，如 f e ( 5 n m ) c r ( o 9 n m ) 】柏多层膜的 饱和磁场高达2 0 k o e 。显然这种需要高饱和磁场的g m r 效应未能满足实际应用要 求( 实际应用的磁场为2 0 0 e 左右) 。多层膜巨磁电阻效应具有以下几个特点： ( 1 ) g m r 数值较大( 比破莫合金大一个数量级) ： ( 2 )磁化使电阻减小，磁电阻为负值，即m r ，当两铁膜层的磁化方向一致( 平行) 时，阻值r o 小，记为【0 1 ；当两铁磁层磁化方向相反( 反平行) 时，阻值r 1 大，记为【1 1 。当读 出磁头相对于下面的磁记录介质高速运动时，记录介质的相邻两磁区的磁化方向同 时指向界面时( 左) ，读出磁头的软磁层被磁记录介质的外漏磁场所磁化，使两铁 磁层磁化方向平行排列，此时磁电阻小，读为【0 】；相反，磁记录介质上相邻磁区的 磁化方向为界面向外时( 右) ，读出磁头软磁层的磁化方向因外漏磁场的改变而改 变，而硬磁层的磁化方向因矫顽力大而不受影响，此时两铁磁层磁化方向反平行排 列，磁电阻大，读数为【1 】。利用这一原理可以读取记录介质中所存储的信息。 1 3 3 磁电阻随机存储器( m r a m ) m r a m ( m a g n e t i cr a n d o m a c c e s sm e m o r y ) 是一种非挥发性的磁性随机存储器， 所谓“非挥发性”是指断电后仍能保存数据，功能和f l a s h ( 闪存) 雷同；而“随 机存储”是指c p u 读取数据时不需要从头开始，随时可以用相同的速率从内存的 任何部位读写信息。m t l a m 和硬盘上存储的数据一样，数据以磁性的方向为依据， 存储为0 或l 。m r a m 存储的数据具有永久性，直到被外磁场改写为止。m r a m 的存储速度一般为2 5 - 1 0 0 n s ，它即拥有静态随机存储器( s t a t i cr a n d o ma c c s m e m o r y , s r a m ) 的高速读写能力又具有动态随机存储器( d y n a m i cr a n d o m a c c e s s m e m o r y , d r a m ) 的高集成度，而且基本上可以无限次地重复写入。 表1 - 3 不同类型内存性能特点比较 t a b l el - 3c h a r a c t e r sc o m p a r eo f d i f f e r e n tm e m o r yt y p e s 类型 非挥麓性 + 读| 麟度写蝴 谲片面稠耩 蹙博囊黜l 削晁格： f 乙 5 h墨 曩 有穰小 t 低 良事偃，希绠嫱加嚣埒萄翰醇= f ：毒融 嗣u 艟 蕾 快无限太年良拿低，需攒增加芯片面酿设计知啦 瑚t 觚否 中无限 中 蠢 良辜惬一需须增加蕊岸霹l f l j 诖擐捂 加氆m是快 无限： 小低性能菁：不绠增加芯片嘏 m r a m 是在上世纪8 0 年代提出的，在1 9 9 4 年美国h o n e y w e l l 公司研发成功 用g m r 薄膜技术的m r a m ，由于其读写时间过长、集成度低的问题，当时只限用 与太空和军事领域。近年来随着人们在g m r 效应研究方面取得极大进展，以g m r 效应为基础的m r a m 研发也取得了新的突破。2 0 0 4 年在夏威夷举行的v l s i 电路 研讨会上，英飞凌( i n f i n e o n ) 和i b m 展示了他们共同开发出的世界上第一块1 6 m b i t 的m r a m 内存原型产品。本次展示的1 6 m b i t 产品在存取速度上就可以达到目前闪 存芯片( 使用在闪存盘、手机或数码相机中的产品) 的1 0 0 0 倍。今后的m r a m 存 哈尔演理工大学工学硕士学位论文 取速度又可能达到闪存的1 0 0 万倍。 积a m 与现有的快闪内存( f l a s h ) 、静态随机存取内存( s r a m ) 、动态随 机存取内存( d r a m ) 相比具有明显的优越性( 参见表1 3 ) 。 1 3 4 其他类型磁电阻器件 磁电阻材料除上述三种的主要应用外还被应用于别的器件，如自旋开关器件、 金属晶体管、自旋阀三极管及铁电场效应管等。 ( 1 )极化电子的隧道效应和自旋开关器件。在铁磁金属绝缘体铁磁金属体 系中由于通过铁磁金属的电子极化效应，通过绝缘层的隧道电流与绝缘体两边的铁 磁金属的磁化状态有关，当两铁磁金属层磁化方向为平行排列和反平行排列时隧道 电流有很大的变化，这样的隧道电流变化称为磁隧道阀效应。在铁磁金属层绝缘 层铁磁金属层结构中如果把一边的铁磁金属的磁化方向钉扎住，另一边用一根通 电导线产生的磁场来控制它的磁化方向。当两铁磁层磁化方向平行排列时，为低阻 态；两铁磁层磁化反平行排列时，为高阻态，这样即构成了一个开关器件，称之为 自旋开关器件。 ( 2 ) 极化电子的注入效应和金属晶体管。在铁磁层f l 非磁性层p 铁磁层f 2 系统中，一铁磁层f 1 做发射极，非磁性层p 做基极，另一铁磁层f 2 做接收极，这 样就构成了一个三端器件。当两铁磁层磁化方向平行排列时，极化电流由f 1 层进 入p 层后顺利通过f 2 层返回电源；当两铁磁层磁化方向反平行排列时，极化电流 由f 1 层进入p 层后不能通过f 2 层，电流通过p 层返回电源。这样的三端器件类似 于半导体晶体管，我们称之为自旋极化开关三极管。由于构成三极管的材料都是金 属，所以又称之为金属晶体管。 ( 3 ) 垂直巨磁电阻效应与半导体组合的自旋阀三极管。自旋阀三极管用r l 型 硅( 1 0 0 ) 晶片做发射极和集电极，基极为c o c u 多层膜。当电子有发射极进入多 层膜时，如果多层膜c o 层问磁化方向为反平行时，垂直磁电阻是高阻态。电子从 基极返回电源；如外加磁场使c o 层由反铁磁耦合变为铁磁耦合，多层膜为低电阻 态，电子将通过基极进入集电极后再返回电源。这种结构我们称之为自旋阀三极管。 ( 4 ) 钙钛矿结构氧化物为基的铁电场效应三极管。钙钛矿结构的 l a l 。c a x m n o ，( l c m 0 ) 氧化物中，存在m n ”和m n 4 + 离子。随材料中离子的变化，材 料可形成反铁磁耦合和铁磁耦合，相对应为高电阻态和低电阻态。在零磁场下，材 料是反铁磁，电阻极大；外加磁场后，由反铁磁转为铁磁态，变为低电阻。l c m o 材料的导电机制类似于空穴导电的p 型材料，因此它与铁电材料组合后具有场效应。 由此制成的场效应管称为铁电场效应管。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 4 本论文研究的内容及意义 以上对自旋电子学发展历史以及磁电阻器件研发和实际应用作了综述，我们可 以认识到巨磁电阻的研究和应用仍将是未来的热点之一。考虑到隧道结作为m r a m 器件的巨大应用前景，微米乃至纳米级磁性隧道结的研究将越来越受到人们的重 视。而目前国内巨磁电阻器件的研究，在实验和实际应用方面的研究还远落后于国 际水平，只有中科院系统、南京大学、北京大学少数几家单位开展了磁性隧道结的 研究工作。本课题在国家自然基金资助下，主要研究了铁磁体绝缘体铁磁体结构 隧道结的电磁特性，特别对影响磁性隧道结磁电阻的各项因素进行了一些探索。 哈尔滨理工大学工学碰士学位论文 2 1 磁性物质介绍 第2 章磁电阻基本理论 所有的物质，无论处于什么状态( 晶态、非晶态，或是液态、气态) ，无论在 怎样的温度和压力条件下，实验证明都显示或强或弱的磁性。磁性是物质的基本属 性之一。首先我们介绍一下磁场的基本物理量：穿过某一截面积的磁力线总数定义 为磁通中( 单位w b 韦伯) ；单位面积的磁通m 定义为磁感应强度b ，其表示磁场 内某点磁场强度和方向的物理量( 单位t ，特斯拉，1 t = l w b m 2 ) ：衡量物质导磁能 力大小的物理量定义为导磁率( 单位h m ，亨，米) ，真空中的磁导率用表示， 非铁磁性物质的近似等于风，而铁磁性物质的导磁率很高”盹；在磁介质中， 磁场某点的磁感应强度曰与同一点磁导率且的比值称为该点的磁场强度日，即 h = b u ( 单位a m ，安米) ：单位体积的磁矩为磁化强度 矾磁化强度( m ) 与 磁场强度( 日) 的比值定义为磁化率z ，即z = m h 。材料磁性的来源主要是原子 周围电子的轨道磁矩和自旋磁矩。原子轨道上电子的运动或电子自旋所引起的极细 小的环型电流必定产生磁矩。原子中的原子核也具有磁性，称之为核磁性。但是核 磁性只有电子磁性的千分之一或更低，所以一般讲物质磁性和原子磁性都主要考虑 原子中的电子磁性。根据磁性性质不同，我们可将磁性物质分为以下五类，即抗磁 性、顺磁性、反铁磁性、铁磁性和亚铁磁性( 如图2 1 ) 。前三种磁性很弱，z 约为 1 0 一1 0 4 ，后两种为强磁性，z 约为1 0 1 0 6 。 2 1 1 抗磁性( d i a m a g n e t i c ) 有些物质在外加磁场h 的作用下，会感应出与外加磁场方向相反的磁化强度， 其磁化率筋 0 ，但数值很小，这种磁性我们称之为顺磁性。顺磁性物质体内有许多固有 原子磁矩，在零磁场下做无序排列，所以对外宏观表现为无磁性；在外加磁场作用 下，原子磁矩转向磁场方向，感应出与外加磁场同方向的磁化强度，所以，顺磁性 磁化率大于0 。其数值级为1 0 3 1 0 币。多数顺磁性物质的z 。与温度r 有关，遵守居 里定律( c u r i el a w ) ，即 z 。：一c ( 2 3 ) z p2 i z j j 其中，c 为居里常数( c u r i e c o n s t a n t ) ，t 为绝对温度。当温度升高时，因为材料内 部原子的热运动增强，原子磁矩不易转向外加磁场方向，所以在一定外加磁场下磁 化率与温度成反比。然而，更多顺磁性物质的磁化率z 。与温度的关系遵循居里夕 斯定律( c u r i e - w e i s sl a w ) ，即 z ，：晕，( 丁 n ) ( 2 4 ) 砟2 f i 1 1 2 4 其中，昂为临界温度。在乃以上是顺磁。在昂以下因原子磁矩之间的交互作用而 转换成另一种磁性( 如铁磁性、抗磁性等) 。 顺磁性有三种不同的来源：局域电子顺磁性，来源于磁场对原予或离子固有磁 矩的取向作用；传导电子顺磁性，它普遍存在于金属材料中，其导带中正负自旋电 子在磁场作用下能量不一样，相当于正负自旋能带发生劈裂，平衡时正负自旋电子 数不相等，从而出现磁化：v a n v l e c k ( 范弗来克) 顺磁性，来源于磁场对电子云的 形变，即二级微扰使激发态混入基态，使电子态发生微小的变化所致。 2 1 3 反铁磁性( a n t i f e r r o m a g n e t i c ) 有些物体当温度达到某一临界温度知( 珊为尼尔温度) 以上，磁化率与温度 的关系和正常顺磁性物质相似，满足居里- 步h 斯定律，对外表现为顺磁性。当r t c )z 2 f 百 1 ( 2 5 ) 其中，c 仍为居里常数，为居里温度( 居里温度是指材料可以在铁磁体和顺磁体 之间改变的温度。低于居里温度时该物质成为铁磁体，这时的磁敏感性约为1 0 的6 次方，此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里温度时，该物质成为顺磁 体，这时的磁敏感度约为1 0 的负6 次方。这时磁体的磁场很容易随周围磁场的改 变而改变。) 具有铁磁性的元素不多( f e ，c o ，n i ) ，但具有铁磁性的合金( 如n b f e b ) 和化合物( 如庞磁电阻化合物) 有很多。 2 1 5 亚铁磁性( f e r r i m a g n e t i c ) 除了上述四种磁性外，还有一种磁性物质，它们的宏观磁性与铁磁性相同，只 是磁化率的数量级稍低一些，大约为1 0 0 1 0 3 ；而它们内部的磁矩结构却与反铁磁 性的相同，但相反排列的磁矩不相等。所以亚铁磁性是未抵消反铁磁结构的铁磁性。 典型的亚铁磁性物质有f e 3 0 4 或f e o 、f e 2 0 s 磁铁矿。 2 2 巨磁电阻效应的机制 对于传统的金属导电来说。其是基于自由电子电荷输运和电子受到晶格及杂质 等散射，与电子的自旋无关。在铁磁金属中，因为能带的交换劈裂，费米面处自旋 向上和自旋向下的电子态密度不同，因而自旋向上与自旋向下的电子数不相等，不 同自旋取向的电子受到的散射程度不同，因此在铁磁金属中，电予的输运是自旋相 关的。自旋电子的输运是a m r 材料、多层膜结构、自旋阀结构、隧道结结构等磁 电阻效应的来源。 2 2 1自旋极化 在普通金属中，电子的自旋极化是简并的，不存在净的磁矩，而费米面附近自 旋向上和自旋向下电子态密度也是完全一样的，因而普通金属导电情形下电子流是 自旋非极化的。但是对于铁磁过渡金属来说，由于3 d 电子的交换作用，自旋取向 不同的电子具有不同的能量，3 d 能带分裂成两个子带，自旋向上的予带与自旋向下 的子带发生相对位移，这便是人们熟知的“交换劈裂”。交换劈裂使自旋向上的子 带( 多数自旋) 全部或绝大部分被电子占据，而自旋向下的予带( 少数自旋) 仅部 分被电子占据。由于交换劈裂费米面处自旋向上和自旋向下d 电子的态密度相差 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 很大，所以尽管在费米面处还有受交换劈裂影响较小的s 电子和p 电子，但在输运 过程中铁磁过渡金属的电子流仍是部分极化的。 4 s 卜 l l l 费米面 f 甏疆 红 箩 图2 - 23 d 能带的劈裂 f i g 2 - 2s p l i t t i n go f 3 de n e r g yb a n d 我们用自旋极化度p 来表征极化程度的大小： p ：坠塑二丝塑 n t ( o ) + 帆( 0 ) ( 2 - 6 ) 其中n t ( 0 ) ，n l ( 0 ) 分别是铁磁金属费米面处自旋向上和自旋向下的电子状态数。 p m t e d r o w 等人对f e 、c o 、n i 的自旋极化度的计算结果分别为4 0 、3 4 、1 1 1 帅1 。 2 2 2 自旋相关散射 电子的散射是电子输运过程中的一个根本环节，它决定了材料的导电能力。在 理想晶格中，电子处于确定的k 状态，不存在散射。但实际上由于热振动，晶格中 的原子会偏离格点，破坏品格的周期场，从而引起电子发生跃迁，我们称之为晶格 散射。此外，材料中的杂质和缺陷也破坏周期性势场，引起电子的散射。对于一般 的非磁金属，散射主要来自于自旋简并的s 电子间的散射，与自旋无关。金属电阻 率满足d r u d e 定理： p = 錾 ( 2 7 ) 船r 其中所、以，p 和f 分别是电子的有效质量、浓度、电量和弛豫时间。由d r u d e 定理 可以算出一般金属导体电子的平均自由程约为1 0 r i m 左右。对于铁磁金属铁、钴、 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 镍，其不同于一般金属的s 电子散射，传导电子3 d 电子在输运过程中要受到比4 s 电子强得多的s d 散射，所以其电子平均自由程五要小得多。由于不同自旋取向的 电子受到的s d 散射程度不同，使得不同自旋取向电子的平均自由程不同，即厶与 不相等，从而导致不同自旋取向的电子有不同的电阻率。1 9 9 3 年i b m 公司的 g u m e y 等人h ”测量了铁、钴、坡莫合金不同自旋取向电子的平均自由程，其结果为 钴：厶= 5 5 n l t l ，z l = 0 6 n l t l ；坡莫合金：厶= 4 6 n m ，a i = 0 6 n l n 。因此，在铁 磁金属中传导电子受到的散射是自旋相关的。 2 2 3 自旋弛豫 自旋弛豫时间与自旋扩散长度最早是五十年代人们在研究电子自旋共振( e s r ) 实验时提出的概念。由d r u d e 定理可知，在s 金属导体中电子的平均自由程也不是 很大，也就是说自旋电子在输运过程中发生频繁的碰撞。自旋电子在这种频繁的碰 撞下会不会改变其自旋取向呢? 研究发现，自旋极化后的传导电子在输运过程中仍 保持其原有的自旋方向不变，只有在磁性原子附近通过交换作用或通过自旋轨道耦 合及与杂质原子或缺陷发生相互作用时才会发生改变。人们把输运过程中电子保持 原有自旋取向所经历的平均时间( 或所移动的平均路程) 称为自旋弛豫时间f ( 或 自旋扩散长度l 。) 两者的关系h 4 是： t = ( 2 d r ，) ”2 ( 2 - 8 ) 对于非磁性金属，自旋扩散长度厶较长，室温下良导体银、金、铜、铝的自旋 扩散长度为1 1 0 微米，而低温4 0 k 下铝的自旋扩散长度达o 1 毫米。对于铁磁金