隧道磁电阻效应的理论分析

隧道磁电阻效应的理论分析

1973年，slaczerwki提出的铁磁性特征的结构具有隧道大磁性电阻（tr）的影响。当两个铁磁层在磁性方向上平行或相反平行时，m-i和m隧道的结果会受到不同的电阻值的影响。很快,Julliere在Fe/Ge/Co隧道结中证实了这一点。这种因外磁场改变隧道结铁磁层的磁化状态而导致其电阻变化的现象,称为隧道磁电阻效应。随后,人们对一系列FM/I/FM磁隧道结的输运性质进行了研究。由于磁隧道结中两铁磁层间不存在或基本不存在层间耦合,因而只需要一个很小的外磁场将其中的一个铁磁层的磁化方向反向即可实现隧道电阻的巨大变化,故隧道结较之金属多层膜具有高得多的磁场灵敏度,因而无论是作为计算机的读出磁头、各类传感器,还是作为磁电阻型的随机存储器,都具有无与伦比的优点,其应用前景十分看好,世界各发达国家都给予了极高地重视。1.铁磁金属费米面处的铁磁电极铁磁层/绝缘层/铁磁层(FM/I/FM)三明治结构产生遂穿效应的原理是:自旋极化电子遂穿非磁性层的位垒而产生遂穿电流。对于铁磁过渡金属来说,传导电子是自旋极化的,它分裂成自旋向上和自旋向下两个不同能量的子带。由于铁磁体内部的分子场远大于饱和场,多数电子自旋朝上(多数自旋子带),少数电子自旋朝下(少数自旋子带)。当两铁磁层的磁化方向平行时,一铁磁层中的多数自旋子带的电子将进入另一铁磁层的多数子带的空态,同时少数子带的电子也从一个铁磁层进入另一个铁磁层少数子带的空态,此时,遂穿几率大。当两铁磁层的磁化方向反平行时,则一铁磁层中的多数自旋子带的电子的自旋与另一铁磁层的少数自旋子带的电子的自旋平行,这时,一铁磁层中的多数自旋子带的电子将进入另一铁磁层的少数子带的空态,及少数自旋子带的电子也从一个铁磁层进入另一个铁磁层多数子带的空态,则遂穿几率小”。由于铁磁金属电子自旋向上和自旋向下的载流子数不等,引起了隧道电导的不等,分析不同电位差下的隧道电导便可以获得组成隧道结的铁磁金属的自旋极化率为:P=(N↑(0)-N↓(0))/(N↑(0)+N↓(0))这里N↑(0)和N↓(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。假定电子穿越绝缘体势垒时保持其自旋方向不变,得到隧道结在不加偏压时的隧道电导如下:GP=C[N1↑(0)N2↑(0)+N1↓(0)N2↓(0)]和Ga=C[N1↑(0)N2↓(0)+N1↓(0)N2↑(0)]这里,Gp,Ga分别是两铁磁层的磁化矢量平行和反平行时的电导,C为耦合常数,N(1,2)(↑,↓)分别对应两个铁磁电极(1,2)费米面处多数自旋态和少数自旋态(↑,↓)的态密度。由以上两式,隧道磁电阻值(TMR)可表示为:TMR=△R/Ra=(Ra-Rp)/Ra=-2P1P2/(1+P1P2),式中P1和P2分别对应两个铁磁电极的自旋极化率。显然,如果P1和P2均不为零,则磁隧道结中存在磁电阻效应,且两个磁电极的自旋极化率越大,隧道磁电阻的绝对值也越高。早期的隧道磁电阻实验值不大,与理论值有一定的差异。1995年,MiyazakiT在Fe/Al2O3/Fe中发现室温下隧道磁电阻值为15.6%,低温下达到23%,已经接近理论值。2.钙钛矿型污染物的磁隧道结衡量一种材料巨磁电阻(GMR)性能的两个基本参数是:①在一定温度下所能达到的最大磁电阻(MR)值;②获得最大MR效应所需施加的饱和外磁场强度。MR与饱和磁场强度的比值称为磁场灵敏度。寻求磁电阻值高,饱和磁场小,磁场灵敏度高的MR材料是当前研究工作的重点。在众多的巨磁电阻材料中,TMR材料有着它独特的优点,它的饱和磁场低,磁场灵敏度高。影响隧道磁电阻值的因素有:①温度。低温时磁隧道磁电阻值可能很大,但室温下,有时很难发现这种效应,所以使巨磁电阻峰值发生在室温成了研究的重点;②I/FM结界面。自旋极化电子穿越结界面时,会有来自结界面的阻碍,怎样来减轻结界面对电子的阻碍也是当今研究的重点。当然还有许多方面的影响因素,下面主要介绍以上两种研究。钙钛矿型氧化物材料替代普通过渡金属铁磁层,在隧道结发现了特大巨磁电阻效应(CMR)。ABO3钙钛矿型Mn氧化物R1-xAxMnO3,其中A为二价碱土金属,R为三价稀土金属。体系中具有三价和四价的锰,显示出铁磁性和金属性,其铁磁↔顺磁转变温度(Tc-居里温度)和金属↔绝缘体转变温度(Tp)很相近,也就是说在居里温度Tc附近,磁电阻值会出现一个极大值。人们对钙钛矿型氧化物的巨磁电阻值GMR在室温出现峰值做了很多的研究,主要有两个方面:①对钙钛矿型氧化物进行掺杂;②替代三价稀土元素La、Nd、Pr等。在钙钛矿结构锰氧化物La0.7Sr0.3MxMn1-xO3(M=Cr,Fe)中Cr,Fe替代Mn位,随着掺杂量的增加,均导致样品材料的居里温度下降、电阻率升高和巨磁效应增强,但它们对材料的影响程度不同,与Cr相比,Fe掺杂样品的居里温度下降更快,M-I转变峰也以更快的速度向低温推移。这说明相同数量的Fe3+离子替代Mn3+离子比Cr3+离子替代对材料中Mn3+和Mn4+间两交换作用的破坏更大,所以Cr比Fe更有利于提高GMR出现极值时的温度。同样在La2/3Ca1/3MnO3中进行Mn位上的Cu的替代,也会导致转变峰向低温推移,转变温度附近的电阻峰值及磁电阻效应急剧增加。La1-xAxMnO3(A为Ca、Sr等)晶体中,通过调节Ca、Sr等的含量,可以使磁电阻效应峰值发生在室温。例如La1-xSrxMnO3晶体,当x=0.15时,Tc=238K;x=0.175,Tc=283K;x=0.20,Tc=309K;x=0.30,Tc=369K。由数据可以看到,随着x的增大,居里温度有明显的提高;并且外加等静压可产生与磁场相似的效果,使居里温度有较大的上移,但Sr含量增加,上升的趋势变缓。通过调节La等元素的含量可显著提高样品的居里温度。例如,不同温度焙烧的La0.8-xCa0.2MnO3样品,当x>0.3时,La3+离子的空位浓度对居里温度的影响均不大,当x<0.3时,适当增加La3+离子的空位浓度可显著提高样品的居里温度。电子有两种,一种是导电电子,另一种是自旋极化电子。在FM/I/FM结构中,只有自旋极化电子可以穿过I/FM结,形成隧道电流,其电流和电阻依赖于两个铁磁层中饱和磁化强度Ms的夹角。在外磁场作用下,Ms的相对取向的改变可观察到GMR效应。磁隧道结巨磁电阻效应的研究经过几年的努力已经取得了很大进展,从过去简单FM/I/FM结构发展到AF/FM/I/FM自旋阀型的结构。发展自旋阀(spinvalve)结构的基本思想是:通过降低多层膜层间交换耦合来实现低场下铁磁层磁化方向的相对变化,以提高TMR效应的磁场灵敏度。例如,反铁磁性材料所钉扎的偏置型自旋阀,典型的结构如F1/I/F2/AF,用较厚的非铁磁层(I)把两个磁性层(Fl、F2)隔开,使Fl和F2几乎没有层间耦合。F2被相邻的反铁磁层AF所扎钉,F1为优质软磁层,它的Ms可以在很微弱的磁场下就相对于F2改变方向,从而极大地提高了磁场灵敏度。几种典型的自旋阀结构为:1)软磁(→)—非铁磁性金属—硬磁(←),化学组成是[Ni-Fe(Co)/Cu/Co(Pt)]n等,灵敏度高。2)软磁(→)—非铁磁性金属—硬磁(ue067),化学组成是[Ni-Fe(Co)/Cu/Co(Pt)]n等,灵敏度高且输出呈线性。3)软磁(→)—非铁磁性金属(←)—软磁(←)—反铁磁层,化学组成是[Ni-Fe(Co)/Cu/Ni-Fe(Co)/FeMn],灵敏度高。4)软磁(→)—非铁磁性金属一软磁(ue067)—反铁磁层,化学组成是[Ni-Fe(Co)/Cu/Ni-Fe(Co)/FeMn],灵敏度高且输出呈线性,磁头电阻变化率为常规的3-10倍。其中,→、←、ue067分别代表磁矩在磁性层中垂直膜面和平行膜面取向。3.巨磁电阻效应1988年,Baibich等人在(Fe/Cr)超晶格中发现了巨磁电阻效应。受其鼓舞,1995年FM/I/FM隧道结的研究有了突破性的进展,这一年Miyazaki和他的同事们现Fe/Al2O3/Fe磁隧道结在室温几mT的外场下的TMR高达15.6%,低温下更高,为23%。为同年Moodera等人采用真空蒸发低温沉淀技术制备CoFe/Al2O3/Co平面型隧道结,在295,77和4.2K的巨磁电阻分别为11.8%,20%及24%。与此同时,Fujimori研究组在Co-Al-C的颗粒膜中发现有8%左右的巨磁电阻效应,此结构类似于M/I/FM隧道结。1996年,Brown大学的肖刚教授和他的合作者们构造了一种新型的隧道结La0.67Sr0.33MnO3/SrTiO3/La0.67Sr0.33MnO3,用钙钛矿锰氧化物取代了普通的过渡金属铁层,在FM/I/FM隧道结发现了特大隧道巨磁电阻效应。国内,中科院物理所研制出了自旋阀多层膜,具有商业应用价值,并且制备工艺和检测水平达到国际水平。尽管对隧道巨磁电阻效应的研究已取得了很大的进展,但是理论上仍有许多问题没有解决,隧道巨磁电阻效应及一些相关的物理性质和物理现象的机理还不十分清楚,很多问题还有待于进一步的研究和探讨。磁隧道巨磁电阻效应以饱和磁场低、磁阻效应大等优点受到广泛注意。在高密度存贮方面,将使计算机外存贮的容量取得突破性的增长;在计算机内存方面,将引起内存芯片的革命;在自动化传感器方面将引起传感器的更新换代。目前,硬盘密度以每年60%的速度增长,1994年,IBM公司在硬盘中使用了自旋阀GMR读出磁头,密度为lGB/in2,1997年,IBM公司宣布具有商业价值的采用GMR作读出磁头的计算机硬盘研制成功,这意味着将使硬盘存储量从几个GB增至20-30GB甚至更大。事实证明,这种方法是正确的。运用巨磁电阻效应,可发展一种磁性随机存贮器(MRAM)。和RAM相比,它具有非易失性、抗辐射、抗干扰、功耗低、使用寿命长、成本低等优点。出于GMR效应原理,它可以进一步减少每位体积,而不影响读出灵敏度,尤其,磁隧道结的阻抗比GMR与半导体装