电子基础材料 6

第二章

磁电阻效应霍尔效应

霍尔效应目前已经发展为一个大家族，包括正常霍尔效应、反常霍尔效应、平面霍尔效应、自旋霍尔效应、量子霍尔效应、量子反常霍尔效应，等等。霍尔效应通常用Hallbar来测量，一般为长条形，设计为十字交叉结构。在面内的水平方向通电流，测量薄膜面内水平或垂直方向上的电压。对于不同类型的霍尔效应，测量时其外磁场、电流与待测电压的相对取向不同。Ex→EyJx引言正常霍尔效应

其中R0为霍尔系数，反映了霍尔效应的强弱。→EyJxH非磁性材料正常霍尔效应

洛伦兹力使载流子偏离电流方向，使得电阻增大。当载流子为电子或空穴时，霍尔电场的符号将发生变化。因此在半导体材料中，通常通过正常霍尔效应来判断载流子的类型和迁移率。霍尔效应常应用于磁传感，霍尔传感器具有体积小、成本低等优点，被广泛应用于智能仪器仪表、汽车电子、医疗器械等领域，用来检测速度、角度、位置、力矩及电流等。根据传感器输出特性的不同，霍尔传感器可以分为开关型和线性型。开关型霍尔传感器主要应用于转速、转数、流速和风速等的测量；线性型霍尔传感器主要应用于电流和位移等物理量的测量。反常霍尔效应埃德温·霍尔在非磁材料中发现正常霍尔效应后，不久又在磁性材料中发现了类似的现象，但是信号强度远超过正常霍尔效应，因此后来被命名为反常霍尔效应。它不仅与磁场有关，也与铁磁材料的磁化强度成正比，可以表示为：其中Ro和Rs分别为正常和反常霍尔系数，H和M分别为外磁场和磁性材料的磁化强度。纯铁薄膜的反常霍尔效应磁性材料→JxHEy由于垂直磁化薄膜的反常霍尔电压符号还会随磁化方向发生改变，能够反映其磁化翻转过程，因此成为研究垂直磁化体系磁反转的重要方法之一。附图展示了Co/Pt多层膜的反常霍尔效应测量结果，Co/Pt多层膜是典型的垂直磁各向异性薄膜体系，随着Co薄膜厚度的减小，其磁易轴将从面内逐渐翻转至面外。反常霍尔效应测试可直观反映这种磁易轴随厚度的变化过程。

反常霍尔效应平面霍尔效应与反常霍尔效应类似，平面霍尔效应也对磁矩方向的变化十分敏感。不同的是，反常霍尔电压依赖磁性材料z轴磁化强度分量，平面霍尔效应则依赖xy平面的面内磁化强度分量，“平面”二字因此得名。从测试的角度来说，对于反常霍尔效应，外加磁场垂直于膜面，对于平面霍尔效应，外加磁场在膜面内。→JxExEy自旋霍尔效应正常霍尔效应或反常霍尔效应不考虑电荷流的自旋取向。当电流在薄膜材料中流过时，由于杂质的散射或者自旋-轨道耦合作用，会在横向方向会产生自旋流，该自旋流在样品的边界处产生自旋积累，在边界处积累的自旋方向相反，并且横向方向的净电流为零。通过自旋霍尔效应可以由电荷流获得自旋流，还可以通过逆自旋霍尔效应实现对自旋流的探测。自旋累积的实验观察各向异性磁电阻效应前面已经学习了正常霍尔效应、反常霍尔效应、平面霍尔效应和自旋霍尔效应，分别展示了非磁性材料或磁性材料中电子/自旋表现出的不同输运特性。以反常霍尔效应为例，外磁场方向、材料的磁化方向、输运信号的测量方向是相对固定的。引言→JxHEy如果外磁场方向与材料的磁化方向发生相对变化，会发生什么有趣的现象呢？WilliamThomson1stBaronKelvin1856年，WilliamThomson发现了各向异性磁电阻现象，他观察到Fe和Ni的电阻与外加磁场的方向有关。AMR效应的发现AMR效应的发现（1）当外磁场方向与电流方向垂直时，铁磁金属的电阻比较低（2）当外磁场方向与电流方向平行时，铁磁金属的电阻则较高磁性材料的电阻表现出各向异性，磁性材料中电阻或电阻率随电流方向与材料磁化方向夹角变化的现象就是各向异性磁电阻效应（AnisotropicMagneto-ResistanceEffect，简称AMR效应）。电流与磁化方向平行电流与磁化方向垂直平行垂直通常用各向异性磁阻率来衡量AMR效应的强弱，各向异性磁阻率又叫AMRratio

ρ代表电阻率，下标//表示电流方向与材料磁化方向平行，下标⊥表示电流方向与材料磁化方向垂直。AMR磁阻率是比较小的，通常仅为百分之几。但是，它仍比非磁金属中的磁电阻效应要高几个数量级。AMR磁阻率AMR效应理论分析给铁磁薄膜样品施加电场E，可分解为平行或垂直于磁化强度M的两个分量：E//和E⊥。同理，电流密度J也可以分解为J//和J⊥。根据欧姆定律，E和J各分量满足：M样品磁化强度

E外加电场J电流密度

θM和J的夹角电场分量和电流密度分量又可表示为外电场E还可表示为AMR效应理论分析M样品磁化强度E外加电场J电流密度θM和J的夹角代入各式得薄膜电阻率ρ与θ的关系薄膜的总电阻可以表示为R0为电流密度J和磁化强度M间平行时的电阻各向异性磁电阻随电流与磁化强度夹角θ的余弦平方项而变化。附图展示了Co薄膜在循环磁场下平行和垂直电流方向的磁电阻变化，能够观察到明显的滞回响应，说明其与磁化翻转过程密切相关。AMR效应理论分析目前广泛应用的AMR材料以镍铁合金为主，下图分别展示了镍铁合金和镍钴合金的AMR磁阻率随其组分的变化。这里镍铁合金的AMR磁阻率最大约5%，通常在薄膜中略低于该数值，这与薄膜沉积工艺等密切相关。典型AMR薄膜体系GMR效应铁磁材料中的各向异性磁电阻效应，其磁阻率通常约百分之几。那么磁性材料的磁阻率是否还能进一步提高呢？是否存在一些新的物理机制可以进一步增强磁阻率？铁磁层非磁层铁磁层铁磁层铁磁/非磁多层膜?单层铁磁薄膜：AMR效应引言1988年，Fert等报道(Fe/Cr)n多层超晶格薄膜在4.2K下具有高达50%的磁电阻响应，室温下仍然高达17%，并将这种“铁磁/非磁/铁磁”多层膜中巨大的磁电阻效应命名为巨磁阻效应（GiantMagnetoresistance，简称GMR）。GMR效应的发现1989年，Grunberg等报道Fe(12nm)/Cr(1nm)/Fe(12nm)三层膜在室温下具有1.5%的磁电阻变化，比纯Fe(25nm)薄膜的各向异性磁阻效应（约0.13%）要高一个数量级。GMR效应的发现GMR效应AMR效应Fert教授

Grunberg教授2007年，诺贝尔物理学奖“forthediscoveryofGiantMagnetoresistance”GMR效应的发现GMR效应的发现初始态：类反铁磁高阻态（零磁场）低阻态（高磁场）高阻态（零磁场）低阻态（高磁场）GMR与薄膜沉积技术GMR的发现得益于分子束外延（MolecularBeamEpitaxy，MBE）技术，能够生长厚度在纳米（nm）级别甚至是亚纳米级别（数Å）的超薄金属薄膜。此后，GMR相关现象能够通过磁控溅射（MagnetronSputtering）技术复现或实现，磁控溅射技术沉积速率快，可以制造大面积薄膜，适用于工业生产，为GMR效应产业应用奠定了基础。MBE系统磁控溅射Co/Pt多层膜磁控溅射GMR效应的理论模型平行排列反平行排列CPP结构等效电路电阻

假设铁磁金属中自旋向上和自旋向下的电子在两个独立的通道内传输，总的电阻为两通道的并联电阻。并且铁磁金属中对自旋向上和自旋向下电子的散射强度不同，也就是所谓的自旋相关散射。Mott双电流模型GMR效应的理论模型

平行排列CPP结构等效电路电阻

并联电阻各通道电阻

铁磁层磁化反平行排列：反平行排列时，无论是自旋向上还是自旋向下的电子，总会在其中一层铁磁层受到较强散射。并联电阻各通道电阻

反平行排列CPP结构等效电路电阻

GMR效应的理论模型GMR效应的理论模型平行排列反平行排列CPP结构等效电路电阻

GMR磁阻率

Mott双电流模型简单，通常适用于电流垂直于膜面器件结构（Current-Perpendicular-to-Plane，CPP），因为该模型假设了自旋向上和自旋向下电子的平均自由程大于薄膜厚度。对于电流平行于膜面结构（Current-in-Plane，CIP），尤其是各层薄膜厚度大于自旋电子的平均自由程后，该模型过于简化不再适用。CIP与CPP结构其他材料的GMR效应除了“铁磁/非磁”多层膜具有GMR效应以外，还有多种其他材料结构也能实现GMR效应，典型的就是磁性金属与非磁性金属构成的颗粒膜。在这种颗粒膜中，铁磁金属（如Co和Fe等）以颗粒的形式分散在非磁性金属（如Ag、Cu）薄膜基体内部。体系包括铜系和银系，如Co-Cu、Fe-Cu、CoFe-Cu、Co-Ag、Fe-Ag和FeNi-Ag，等等。在“铁磁金属—绝缘体”型颗粒膜中也存在较明显的GMR效应。颗粒膜过渡至连续膜示意图

典型颗粒膜的TEM其他材料的GMR效应颗粒膜中的GMR效应同样源于自旋相关散射。铁磁金属颗粒弥散分布在非磁金属薄膜基体中，磁矩混乱分布、取向随机，此时对自旋向上和自旋向下的电子散射概率相同。外加较大磁场后，铁磁金属颗粒的磁矩取向一致，此时对自旋向上和自旋向下的电子散射概率不同。因此，在零磁场和大磁场下，颗粒膜分别呈现不同电阻态。Co-Cu颗粒膜的GMR响应和磁滞回线层间交换耦合巨磁电阻效应最初是在具有反铁磁耦合的“铁磁/非磁”磁性多层膜中发现的，这种铁磁层间的反平行排列对应高阻态，而在强磁场下铁磁层间的磁化强度变成平行排列，这对应低阻态，因此会伴随巨大的磁电阻变化。引言高阻态（零磁场）低阻态（高磁场）铁磁非磁铁磁铁磁非磁铁磁反平行排列平行排列为什么相邻铁磁薄膜具有反平行排列的磁化状态？层间交换耦合在铁磁/非磁多层薄膜中，铁磁层间的交换耦合强度会随着中间非磁层厚度的变化呈现出周期性的振荡。这种振荡型的层间耦合可以用RKKY交换耦合作用理论进行解释，该理论最初针对金属合金中的磁特性，也就是金属中的磁性离子以传导电子为媒介进行间接的交换耦合。铁磁层间界面交换耦合能可表示为：Eex为单位面积的界面交换耦合能θ为铁磁层间的磁化方向的夹角通常情况下仅考虑上式第一项，它是传统的交换能J1为正即为铁磁耦合态，J1为负即为反铁磁耦合态振荡型层间交换耦合1990年，StuartParkin教授首次在磁控溅射沉积的Fe/Cr、Co/Cr和Co/Ru多层膜中观察到了这种振荡型的层间交换耦合，交换耦合为负时，磁滞回线呈现反铁磁体的特征，对应较大的磁阻率和较高的饱和磁场。交换耦合为正时，磁滞回线呈现正常的铁磁体特征，对应较小的磁阻率和较低的饱和磁场。振荡型的层间交换耦合现象十分普遍，振荡周期约为1～2nm，通常以Ru为隔离层时交换耦合作用较强。层间交换耦合实验观察根据唯象理论分析，层间交换耦合包含两种周期，长周期和短周期。1991年，Unguris等制备了非磁层连续变化的“铁磁/非磁/铁磁”薄膜，进而利用自旋分辨扫描电子显微镜在同一样品上直接观察到非磁层薄膜厚度连续变化时的畴结构变化。不仅观察到了长周期振荡（约1.8nm），还发现了短周期振荡（约0.3nm），为验证层间交换耦合理论提供了重要实验依据。人工反铁磁利用振荡型层间交换耦合作用，人们可以构建具有反铁磁耦合态的铁磁/非磁多层膜，它展现出反铁磁体的磁滞回线，这种多层膜结构称为人工合成反铁磁、人工反铁磁、合成反铁磁（syntheticantiferromagnet，简称SAF）。变化剧烈自旋阀结构早期铁磁/非磁多层膜需要极高的外磁场诱导GMR效应的高低阻态变化引言高阻态（零磁场）低阻态（高磁场）铁磁非磁铁磁铁磁非磁铁磁反平行排列平行排列磁场灵敏度较低接近特斯拉级别的饱和磁场高场下的反铁磁耦合态？有没有可能在零磁场下，构建具有铁磁耦合态的“铁磁/非磁”多层膜体系，进而在外磁场下将其转变为反铁磁耦合态呢？高阻态（零磁场）低阻态（高磁场）铁磁非磁铁磁铁磁非磁铁磁反平行排列平行排列如何实现？高阻态（高磁场）低阻态（零磁场）自旋阀的薄膜结构1991年，Dieny等提出了自旋阀（spin-valve）结构。传统GMR薄膜自下而上分别是衬底、粘附层、铁磁层、非磁层、铁磁层和保护层。自旋阀结构额外多了一层反铁磁层，下层铁磁层又叫自由层（freelayer），邻近反铁磁层的铁磁层又叫参考层（referencelayer）。参考层Referencelayer自由层FreelayerNMFMAFM反铁磁层或合成反铁磁层SAFs粘附层Adhesionlayer保护层CappinglayerFeMn(7nm)NiFe(6.2nm)Cu(2.2nm)衬底Ta(5nm)NiFe(4.2nm)Ta(5nm)FM隔离层SpacerNMFM铁磁层非磁层衬底粘附层铁磁层保护层FM参考层自由层NMFMAFM反铁磁层粘附层保护层FeMn(7nm)NiFe(6.2nm)Cu(2.2nm)衬底Ta(5nm)NiFe(4.2nm)Ta(5nm)FM隔离层←←

←←→

←←→

→ABCABC自旋阀的磁阻响应自旋阀的磁阻响应参考层自由层NMFMAFM反铁磁层粘附层保护层FeMn(7nm)NiFe(6.2nm)Cu(2.2nm)衬底Ta(5nm)NiFe(4.2nm)Ta(5nm)FM隔离层ABC观察AB段和BC段的磁阻响应，AB段的斜率明显高于BC段。因此，自旋阀结构既有多层膜GMR的高磁阻率，又有软磁合金饱和磁场小的优点，仅数个Oe即可获得百分之几的磁电阻变化，其灵敏度相对于先前的多层膜GMR体系要高几个数量级。反铁磁材料与交换偏置铁磁/反铁磁双层膜在外磁场中从高温冷却至低温后，铁磁层的磁滞回线将沿着磁场轴偏离坐标原点，这种现象就是交换偏置（exchangebias），其偏移量被称为交换偏置场，通常表示为HE或Hex。在自旋阀结构中，反铁磁层十分关键，它通常需要兼具高的奈尔温度TN和截止温度TB，较强的交换各向异性，以及良好的稳定性。在奈尔温度（TN）以上，反铁磁材料将失去反铁磁性，温度超过截止温度，反铁磁/铁磁层间的交换偏置消失，失去对铁磁层的钉扎作用，进而导致自旋阀失效。目前研究和应用较多的反铁磁材料包括FeMn、PtMn和IrMn合金。反铁磁材料与交换偏置交换偏置是一种界面效应，大量研究表明，交换偏置场与铁磁层的厚度成反比。也就是说，固定反铁磁层的厚度，交换偏置场将随着铁磁层厚度的增大而减小，如图所示。因此，交换偏置提供了单向磁各向异性，可以影响自旋阀中与反铁磁层临近的铁磁参考层，对自由层的影响则可以忽略。不同结构的自旋阀自从自旋阀提出以来，研究者们设计了多种不同结构的自旋阀，如图所示，包括顶钉扎型、底钉扎型和双钉扎型。顶钉扎型自旋阀中反铁磁层及参考层在自由层之上，底钉扎型则相反，反铁磁层及参考层在自由层之下。在双钉扎型自旋阀是这两种结构的结合，可以获得比单钉扎型自旋阀更高的磁阻率，并能通过磁退火调控自由层和参考层的相对磁化方向，使器件输出信号具有更好的线性度。自旋阀的结构设计与所使用的材料及生长工艺密切相关。反铁磁层自由层非磁层衬底种子层参考层保护层非磁层钉扎层反铁磁层钉扎层非磁层衬底种子层参考层保护层非磁层自由层底钉扎型顶钉扎型TMR效应隧穿磁电阻（TunnelingMagnetoresistance，简称TMR）效应依赖于磁隧道结（MagneticTunnelJunction，简称MTJ），具有“铁磁金属—非磁绝缘体—铁磁金属”的三明治结构。引言金属铁磁层金属非磁层金属铁磁层磁隧道结MTJ金属铁磁层氧化物非磁层金属铁磁层绝缘体导体具有GMR效应的多层膜TMR的发现上世纪90年代中期，日本东北大学的Miyazaki教授和美国MIT的Moodera教授等分别独立报道了室温下约18%和12%的隧穿磁阻率，其磁隧道结都是以非晶的氧化铝为隔离层。如图所示，TMR磁阻率远大于AMR磁阻率。电子隧穿效应磁隧道结具有金属1—绝缘体—金属2的三明治结构，在外电场下发生电子隧穿，其中Φ为绝缘层的势垒，d为绝缘层厚度，EF为金属电极的费米能级。当一个能量为E的电子从左侧发射极朝着垂直于膜面的方向运动时：电子波矢隧穿几率在绝缘层中，电子的波函数发生指数级衰减对于Al2O3和MgO等绝缘层，绝缘层厚度通常在纳米尺度电子隧穿效应当电子从发射极入射向接收极时，电流正比于发射极中能级E的态密度和电子占据能级E的概率f(E)，以及接收极中未被占据的能级为E+eV的态密度和电子未占据该能级的概率1-f(E+eV)，因此隧穿电流为当隧道结上的偏压很小且在绝对零度时，只有能量在费米能级EF的电子对隧穿电流有贡献，此时隧道结的电导正比于两铁磁电极中费米能级处的态密度：thickness

d多数自旋电子和少数自旋电子在费米能级附近具有不同的态密度，铁磁电极的自旋极化率可表示为TMR简单理论模型TMR简单理论模型Julliere模型成功解释并预测了以非晶氧化铝为隔离层的磁隧道结的隧穿磁阻率。对于自旋极化率为50%~65%的Co-Fe基合金铁磁电极，其隧穿磁阻率约50%~70%。总的来说，铁磁电极的自旋极化率越高，磁隧道结的隧穿磁阻率越大。自旋极化率为100%的半金属是理想的铁磁电极材料，因此研究者们致力于开发不同半金属薄膜，从而在薄膜结构的磁隧道结中实验上实现极高的自旋极化率。TMR磁阻率的发展早期磁隧道结的绝缘层以非晶氧化铝为主，通过使用自旋极化率更高的铁磁电极，以及优化氧化铝势垒层制备工艺，逐渐将室温隧穿磁阻率提高到70%~80%。2001年，理论计算认为如果以结晶的MgO为绝缘层，那么隧穿磁阻率可达1000%。2004年，美国和日本的研究者分别在MgO基磁隧道结中观察到了室温下超过200%的隧穿磁阻率。2008年，日本研究者在MgO基磁隧道结中获得了超过600%的室温隧穿磁阻率。相干隧穿TMR模型引言随着理论和实验研究的不断推进，磁隧道结的隧穿磁阻率不断提高，尤其是在以结晶MgO为绝缘层的磁隧道结中，隧穿磁阻率提高到远超过100%，最高达600%，比非晶氧化铝基磁隧道结提高了近一个数量级。同时，研究者们对大隧穿磁阻率机理有了更深入的认识，这需要考虑到自旋电子波函数的对称性，以及界面相干隧穿过程。晶体中电子的波函数可以用布洛赫态来描述，铁磁金属铁、钴、镍及其合金的布洛赫态具有一定对称性，主要包括：Δ1、Δ2和Δ5。对于体心立方结构的铁来说，沿着[001]晶向的s、p、d轨道电子波函数的对称性可以分为Δ1、Δ5、Δ2以及Δ2’。具有Δ1对称性的布洛赫态在费米能级附近通常有比较大的正自旋极化率，而其他布洛赫态则不同，有的自旋极化率在费米能级甚至为负。布洛赫态非相干隧穿对于非晶氧化铝绝缘层，它们失去了晶体的周期性。无论发射极电子布洛赫态的对称性如何，这些电子态与绝缘层势垒中的衰减态耦合几率相同，进而隧穿并发生衰减。这意味着非晶绝缘层中电子波函数的指数级衰减不依赖其布洛赫态的初始对称性，因此电子透射几率也与布洛赫态的初始对称性无关，这种隧穿过程就是非相干隧穿。相干隧穿—MgO基MTJ结晶MgO为绝缘层的TMR效应则可通过相干隧穿原理来进行解释，MgO绝缘层和Fe电极层的外延关系如图所示。Fe通常为体心立方结构，晶格常数为2.86埃。MgO为氯化钠型立方结构，晶格常数为4.212埃。MgO(001)可以外延生长在Fe(001)薄膜上，附图显示了二者的外延关系。相干隧穿-能带结构在理想外延生长的Fe/MgO/Fe磁隧道结中，电子输运沿着[001]方向。对于Fe的多数自旋电子，费米能级附近存在Δ1、Δ5和Δ2’态，对于少数自旋电子，费米能级附近存在Δ5、Δ2和Δ2’态，少数自旋电子的费米能级附近不存在Δ1态。Fe的能带结构相干隧穿-能带结构从MgO复能带图中可以看出，氧化镁对不同布洛赫电子的势垒高度也不同，其中Δ1势垒最小，因此具有Δ1对称性的电子在氧化镁中衰减最慢，它具有最大的隧穿几率。MgO的复能带相干隧穿过程电子由Fe入射至MgO，此时MgO中有三种布洛赫态可与之耦合：Δ1、Δ5和Δ2’。电子在隧穿过程中为了保持其波函数对称性，入射极电子的布洛赫态必须与绝缘层中具有相同对称性的衰减态耦合，如铁的Δ1布洛赫态与氧化镁的Δ1衰减态耦合，这种情况下电子的隧穿几率强烈依赖于其布洛赫态对称性。相干隧穿过程两铁磁层磁化方向平行排列时，对于多数自旋电子，Δ5和Δ2态的衰减速度要比Δ1态快得多；当多数自旋电子隧穿过势垒后，Δ1的态密度比Δ5和Δ2要高10个数量级，并且没有少数自旋电子的Δ1布洛赫态隧穿。因此在隧穿电流中，Δ1自旋向上至Δ1自旋向上的电子输运占主导。两铁磁层磁化方向反平行排列时，Δ1态在右侧Fe电极中衰减较快，隧穿几率较低。总的来说，布洛赫态在隧穿过程中产生了过滤的效果，伴随隧穿电流自旋极化率的显著提高。这里，具有Δ1对称性的多数自旋电子在平行状态下具有最大的隧穿几率是铁-氧化镁-铁隧道结具有高隧穿磁阻率的主要原因。相干隧穿过程磁隧道结中两铁磁层磁化反平行排列时，仍存在一定隧穿电流。平行排列时，多数自旋电子的隧穿在k//=0时占据主导，这源自前面介绍的相干隧穿过程；此时少数自旋电子的隧穿发生在一些k//≠0，注意那些相对尖锐的峰值点，这些点称之为热点。相干隧穿过程总结基于非晶氧化物势垒层的磁隧道结受非相干隧穿过程主导，而基于结晶氧化物势垒层的磁隧道结受相干隧穿过程主导。这种相干隧穿机制也启发研究者们开发不同结晶氧化物作为势垒层，以获得更高的隧穿磁阻率。不同磁隧道结引言以结晶MgO为势垒层的磁隧道结展现出很高的室温隧穿磁阻率，同时选择自旋极化率更高的铁磁金属也将提高隧穿磁阻率。因此，不同铁磁金属材料与MgO绝缘层组合将得到不同的磁隧道结。那么目前研究和应用较多的磁隧道结有哪些？它们如何设计制造呢？特别是这些晶体结构、结晶状态各异的铁磁金属材料上如何形成高质量的结晶氧化镁势垒层呢？Fe-MgO-Fe隧道结Fe-MgO-Fe磁隧道结的理论和实验研究均较早，其中Fe也可以替换为CoFe合金，可实现更高的隧穿磁阻率。生长仅包含“铁磁层-绝缘层-铁磁层”三明治结构的磁隧道结相对简单，一般选择（001）取向的MgO单晶作为衬底，进而通过MBE技术或磁控溅射技术实现外延生长。实际应用的磁隧道结中处于氧化物绝缘层下方的一般为金属薄膜，磁控溅射生长的反铁磁层/合成反铁磁层通常具有(111)织构，因此垂直于薄膜法向的是3次旋转对称轴，而氧化镁(001)面具有4次旋转对称轴。MgO(001)与面心立方(111)材料结构不匹配，很难获得高质量的外延异质结。那么怎样才能在两层铁磁金属薄膜间制备出结晶的MgO薄膜层呢？CoFeB-MgO-CoFeB隧道结CoFeB-MgO-CoFeB隧道结CoFeB薄膜作为铁磁层有利于进一步提高隧穿磁阻率，有趣的是，在非晶CoFeB薄膜表面，可以生长出结晶MgO薄膜。通常室温下直接沉积在非晶薄膜上的MgO也是非晶态的，而在非晶CoFeB薄膜上沉积的MgO，当厚度小于1纳米时是非晶的；当厚度超过1纳米后逐渐形成MgO(001)织构，得到“非晶CoFeB-MgO(001)织构-非晶CoFeB”磁隧道结。“非晶CoFeB-MgO(001)织构-非晶CoFeB”磁隧道结可以生长在任意薄膜上，便于大规模制备和应用。CoFeB-MgO-CoFeB隧道结在“非晶CoFeB-氧化镁(001)织构-非晶CoFeB”磁隧道结中，非晶薄膜层不利于隧穿磁阻率提高，将该磁隧道结在250℃左右退火会诱导CoFeB薄膜形成BCC结构的(001)织构，从而形成“CoFeB(001)织构-氧化镁(001)织构-CoFeB(001)织构”的磁隧道结。超薄的MgO(001)绝缘层相当于一个模板来诱导非晶CoFeB结晶，这种结晶过程称之为固相外延。垂直磁各向异性磁隧道结早期研究的CoFeB-MgO-CoFeB磁隧道结是面内磁化的，垂直磁各向异性磁材料在自旋电子器件中具有重要意义，有利于提高MRAM存储密度、降低写入电流密度。2010年，研究者报道了具有垂直磁各向异性的CoFeB-MgO-CoFeB磁隧道结，其材料结构如图所示。随着CoFeB厚度减小至1纳米左右，其磁易轴逐渐由面内转向至面外。尽管Fe-MgO-Fe外延隧道结、或CoFeB-MgO-CoFeB织构隧道结等展示出了很高的隧穿磁阻率。但是，铁磁电极与氧化镁势垒间的晶格失配会导致大量界面位错的出现，影响了磁隧道结的稳定性。晶格常数比氧化镁略小的镁铝尖晶石势垒也引起了研究者的关注，如图所示，相比于Fe-MgO-Fe界面附近较多的位错，Fe-MgAl2O4-Fe隧道结的界面位错要少的多。基于MgAl2O4势垒的磁隧道结Fe/MgO/Fe和Fe/MgAl2O4/Fe隧道结的横截面TEM图，黄色T代表位错基于半金属电极的磁隧道结理想的铁磁金属自旋极化率P=1，也就是说在费米能级附近只存在一种自旋方向的电子，这样能够获得更强的GMR或TMR效应，这种P=1的材料即为半金属材料。半金属铁磁性材料在自旋电子学中具有巨大应用潜力，目前研究较多的材料体系包括CrO2、Fe3O4、钙钛矿锰氧化物（La0.7Sr0.3MnO3）和Heusler合金等。Heusler合金

TMR效应既适用于磁存储也适用于磁传感，由于磁隧道结的电阻正比于绝缘层厚度，因此通过调控绝缘层厚度使MTJ的电阻在几千欧姆至几兆欧姆之间变化。该电阻大小与CMOS半导体器件如晶体管的通路电阻大小接近，因此特别适合通过CMOS工艺实现MTJ与晶体管的集成，从而开发磁随机存储器。TMR的应用—磁存储硬盘TMR读头（磁传感）MRAM单元（磁存储）TMR的应用—磁存储图a展示了以MTJ为核心的一个磁随机存储器单元的电路，图b是对应的MRAM单元结构。它由字线、位线、MTJ和一个晶体管构成。其中字线选择一列晶体管使其导电，位线对一行磁隧道结阵列施加电压，只有选定的行和列交叉点的磁隧道结施加电压，进而实现数据的写入或读取。实际应用中的磁隧道结包括多个功能层，也是一种自旋阀结构，如图c所示。与GMR效应类似，当参考层和自由层磁化方向相同时，MTJ的阻值较低，当它们的磁化方向相反时，MTJ的阻值较高。通过高低阻态的变化，实现数据“0”和“1”，因此一个MTJ存储1bit信息。庞磁电阻效应前面学习了AMR、GMR和TMR效应，从材料结构的角度来说，尤其是从薄膜来说，AMR效应基于单层铁磁薄膜，磁阻率较低，GMR和TMR效应是基于铁磁-非磁-铁磁多层薄膜，磁阻率较高。铁磁层非磁层铁磁层铁磁层GMR/TMRAMR在单层铁磁薄膜中有没有可能实现更大的磁阻率呢？引言CMR效应简介钙钛矿锰氧化物在居里温度附近具有极大的磁电阻效应，表现为施加几特斯拉的外加磁场时的磁电阻率变化高达106%，远超过TMR效应，这种磁电阻效应被称作庞磁电阻效应(Colossalmagnetoresistance，简称CMR效应）。1994年，Jin等制备了镧钙锰氧外延薄膜并施加约6特斯拉的外磁场，发现该外延薄膜在77K下的磁电阻率高达百分之十二万，室温下的磁电阻率仍有百分之一千三百，如图所示。La0.67Ca0.33MnOx外延薄膜的CMR效应钙钛矿锰氧化物的化学组成钙钛矿锰氧化物的化学式一般为RE1-xAExMnO3RE代表三价的稀土金属元素如镧（La3+）、镨（Pr3+）、钕（Nd3+）、钐（Sm3+）等AE代表二价的碱土金属元素如锶（Sr2+）、钙（Ca2+）、钡（Ba2+）等。钙钛矿锰氧化物的晶体结构通常其晶体结构为有一定畸变的钙钛矿结构，RE和AE离子位于钙钛矿结构ABO3的A位，处于晶胞顶点，Mn离子位于其中的B位，处于晶胞的体心，氧离子则位于晶胞的面心。一般钙钛矿锰氧化物的晶体结构会畸变成正交或菱方相，造成这种畸变的主要原因有两个方面。一方面是Jahn-Telle