磁性隧道结的隧穿磁电阻效应及其研究进展.docx

1、磁性隧道结的隧穿磁电阻效应及其研究进展磁性隧道结的隧穿磁电阻效应及其研究进展 前沿进展 磁性隧道结的隧穿磁电阻效应及其研究进展 李彦波-魏福林4-杨-正 （兰州大学磁学与磁性材料教育部重点实验室-磁性材料研究所-兰州-5.1111） ! 摘-要-文章概括地介绍了磁性隧道结（6789）的隧穿磁电阻（76:）效应的产生机理和特点，主要用途和研究背景以及最近几年的研究进展和现状&对用;(0?AB）型6789的问题和不足，以及新兴的赝自旋阀（CAB）型6789的优势&文章最后总结了用于6789的各种铁磁层和绝缘势垒层材料，并对76:材料今后的研究和开发作了展望&关键词-凝聚态物理学，隧穿磁电阻（76:

2、），综述，磁性隧道结（6789），交换偏置自旋阀（?AB），赝自旋阀（CAB） !#$%&#()#$*+,$-&-*)#.$/$.*-+/()#$*&.*#$%0#.*&+#-DEF*,?G-HEID),4-F;JK-L!M,= （!#$%&(%)(#*(+%,-)./0%-1+%,-).2+%)(.%3/*)4+.-./)(#*5162%).-，7/%(248-/).)6)*+%,-).2 +%)(.%3/，$%-946:-.;(/.)#，$%-9465.1111， 12-*,).*337!MNM+!*,)9N，+!*O*+MO)9)+9，#O)N*OP*#()+*)G,9，Q*+R=OG,

3、S，*,S(*M9OM9M*O+!G,!M,M(),=N*=,MGOM9)9*,+MMTTM+9GTN*=,M)+,M(U,+)G,9（6789）*OMOMV)M%MS&W)TTMOM,P#M9GTU,+)G,9%)!;(0 4$56+,7-33+G,SM,9MSN*MO#!P9)+9，,M(),=N*=,MGOM9)9*,+M，OMV)M%，N*=,M)+,M(U,+)G,9，MX+!*,=MQ)*9MS9#),V*(VM，#9MSG9#),V*(VM 系IMO教授领导的科研组中工作时，首先在IM_O Z-引言 磁电阻（6:）效应是指在外磁场的作用下，材料的电阻率发生变化的一种物理现象&磁电

4、阻值与饱和磁场强度的比值称为磁场灵敏度&磁电阻效应及其材料一直是凝聚态物理和材料科学领域的研究热点之一& Z早在Z25年，8()MOM就在G_KM_IM基磁性 多层膜中发现了巨磁电阻（K6:）效应&76:效应和K6:效应的发现导致了凝聚态物理学中新的学科分支磁电子学的产生&01年来，K6:效应的研究发展非常迅速，并且基础研究和应用研究几乎齐头并进，已成为基础研究快速转化为商业应用的国际典范&随着K6:效应研究的深入，76:效应开始引起人们的重视& 金属多层膜尽管可以产生很高的K6:值，但强 !-兰州大学磁学与磁性材料教育部重点实验室开放基金资助项目 011/YZ1YZ/收到初稿，0112Y1Z

5、Y1收到修改稿4-通讯联系人&N*)(：%M)T(&MS&+, 隧道结（6789）中观察到了隧穿磁电阻（76:）效应&但是，这一发现当时并没有引起人们的重视&在这之后的十几年内，76:效应的研究进展十分缓慢&Z2/年，巴西学者?*)Q)+! :98 0 在法国巴黎大学物理 !#：$%&%()&*+&+,-物理./卷（0112年）3期 前沿进展 的反铁磁耦合效应导致饱和场很高，磁场灵敏度很小，从而限制了456效应的实际应用-5789中两铁磁层间不存在或基本不存在层间耦合，只需要一个很小的外磁场即可将其中一个铁磁层的磁化方向反向，从而实现隧穿电阻的巨大变化，故5789较金属多层膜具有高得多的磁场灵

6、敏度-同时，5789这种结构本身电阻率很高、能耗小、性能稳定，因此，5789无论是作为读出磁头、各类传感器，还是作为磁随机存储器（56:5），都具有无与伦比的优点，其应用前景十分看好，引起世界各研究小组的高度重视-于反平行时的电导-通过施加外磁场可以改变两铁磁层的磁化方向，从而使得隧穿电阻发生变化，导致756效应的出现-5789中两铁磁层电极的自旋极化率定义为 ! #+$#, ， #+%#, （B） 式中#+和#,分别为铁磁金属费米面处自旋向上和自旋向下电子的态密度-B 由8./0=模型可以得到 756值或者 756值 $!B!$&$&C!& :，（$）&:&:B%!B!$!B!$&:$&C!

7、& ，（）&C&CB$!B!$ $!756效应的产生机理和特点 在铁磁材料中，由于量子力学交换作用，铁磁金属的;轨道局域电子能带发生劈裂，使费米（?0）面附近自旋向上和向下的电子具有不同的能态密度-在5789中，756效应的产生机理是自旋相关的隧穿效应-5789的一般结构为铁磁层非磁绝缘层铁磁层（ 穿几率与两磁性层的磁化方向有关-如图B所示， &:分别为两铁磁层磁化方向平行和反平式中&C、 !B，!$分别为两铁磁层电极的自行时的隧穿电阻， 旋极化率-显然，如果!B和!$均不为零，则5789中存在756效应，且两铁磁层电极的自旋极化率越大，756值也越高-在文献报道中，不同的学者对756值的定义

8、不同，有的学者采用（$）式的定义，但最近几年，大部式的定义-分学者都采用（） !756效应的应用 756效应由于具有磁电阻效应大、磁场灵敏度高等独特优势，从而展示出十分诱人的应用前景-概括来说，756材料主要用于计算机硬盘的读出磁56:5和各类磁传感器-头、 目前，高密度、大容量和小型化已成为计算机存储的必然趋势-上世纪&%年代初，磁电阻型读出磁头在硬磁盘驱动器中的应用，大大促进了硬磁盘驱动器性能的提高，使其面记录密度达到了4D03$的量级-十几年来，磁电阻磁头已从当初的各向异性磁电阻磁头发展到456磁头和756磁头-756磁头材料的主要优点是磁电阻比和磁场灵敏度均高于456磁头，而且其几何结

9、构属于电流垂直于膜面（ECC）型，适合于超薄的缝隙间隔-基于756效应制作的56:5具有集成度高、非易失性、读写速度快、可重复读写次数大、抗辐射能力强、功耗低和寿命长等优点，它既可以做计算机与的内存储器，也可以做外存储器-作为内存储器，市场上通用的半导体内存储器相比，它的优点是非易失性、存取速度快、抗辐射能力强；作为外存储器， 若两层磁化方向互相平行，则在一个磁性层中，多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，总的隧穿电流较大；若两磁性层的磁化方向反平行，情况则刚好相反，即在一个磁性层中，多数自旋子带的电子将进入另一磁性层

10、中少数自旋子带的空态，而少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，这种状态的隧穿电流比较小-因此，隧穿电导随着两铁磁层磁化方向的改变而变化， 磁化矢量平行时的电导高 图B!756效应的产生机理示意图 !物理#卷（$%&年）期!()*：+,-,./0-12-23 #! 前沿进展 它比4(*5!存储器存取速度快6111倍，而且功耗小，寿命长&与硬磁盘相比，它的优势是无运动部件，使用起来与4(*5!存储器一样方便& 789材料还可以做成各种高灵敏度磁传感器，用于检测微弱磁场和对微弱磁场信号进行传感&由于此类传感器体积小，可靠性高，响应范围宽，在自动化技术、家用电器、商标识别、卫星定位

11、、导航系统以及精密测量技术方面具有广阔的应用前景& 进展缓慢，获得的789值也很低&622;年，8)=*?) 60，6. 等发现4AB(0C.A4基87 值高达6/D，低温下为.1D，磁场灵敏度为/DAC，从此揭开了789效应研究史上新的一页&在此之后的几年内，世界各个研究小组开始集中研究用B(0C.做绝缘势垒层的隧道结& 622;0111年期间，87 6IG*,H等发现，J*1&3IKL1&.8,C.AKL7)C.AJ*1&3IKL1&. :-789材料的研究背景 6，:，;02 由表6可以看出，由于受制备条件的限 8,C.基87 6/ 61月，N(*等在4AOPC0AQF基87 了9效应，

12、温度为.1M时的789值为.6D& 0678622I年2月，K*F等首次处理对789效研究 制，从发现一直到622;年，87 表6-87 年月62I;62/062/I*.622:622;622;622;6223&:6223&I6223&26223&61622I&:622I&:622I&2622/&3622/&616222&66222&20191&6011101110111&66 隧道结4AGAQFR)AR)CAR) R)AR)CAQFR)AR)CA4R)AR)CAQF 4SQAB(0C.A4S9/0R)S4AB(SB(0C.AQF GTAGTC!A44AGTC!A4/0R)S4AB(SB(0C

13、.AQF/6R)4A8HCAQF;14QFAB(0C.AQF4AB(0C.AQF4AB(0C.A4QF4AB(0C.AQFQF4AB(0C.AQFQFAB(0C.AQF4J*1&3IKL1&.8,C.AKL7)C. AJ*1&3IKL1&.8,C. 4AOPC0AQF/6R)S4AB(SB(0C.AQF 4A8HCAQFQFAB(SB(C!AQFQFAB(SB(0C.AQF4QF4AB(SB(0C.AQF4QF4AB(SB(0C.AQF4QF/046/AB(SB(0C.AQF/046/QF/046/AB(SB(0C.AQF/046/QFI:403AB(SB(0C.AQFI:403QFI;40;

14、AB(SB(0C.AQFI;40;（066）4AB(0C.A4;1QF;1（661）4AB(0C.A4;1QF;1（611）4AB(0C.A4;1QF;1 32&6（:&0M）:0（0M） .0（0M）6.（0M） ! 789值AD低温6:（:&0M）1（6M）0（:&0M）6&1（0M） 1&236&1 .（IIM）;&3（:&0M）I&I（:&0M）;&1（:&0M）.（IIM）I&0（:&0M）/（:&0M）.1（:&0M）0:（:&0M）01（IIM）0;&3（:&0M）.0（IIM）/.（:&0M）.6（.1M） 00 01（IIM） 0:! 0:00&I.3&I!0I&.02:1!

15、:6!:0!:2&I03 ! 室温 作者*%*等R*?*,)等8)=*?)等RF%*?等 参考文献6:;3I/2616660，6.6:6;636I6/620106000.0:0;030I0/02 0&I 0&I1&0. .&.6/66&/6/6/ U*F)等N(*5?等7?*等8)=*?)等8FFTL*等8FFTL*等8FFTL*等J等N(*等G*(*H!L等N(*等K*F等K,等KF5*等K,等Q*LTF5F等Q*LTF5F等M)?+!)等O*,E)VP,H等 U*5*等 -!表示经热处理后的789值 ! !#：$%&%()&*+&+,-物理./卷（0112年）3期 前沿进展 了热应的影响，

16、发现用适当的温度进行退火处理有利于增大456值，并在经过%7热处理后的89:;/中，获得高达$?的室温456值-$ 81BC99等报道，经%7热处理后$%年A月， 理后，其456值室温下高达$%，$%L时高达到$&?，结面电阻（6;）值分别为?$%!V$和?%!V$，这使同时获得高456值和低6;值的54=的研究向前跨跃了一大步-在用5J的研究取得突破的同时，用;/$的研究也 # 取得了一定的进展-$%?年K月，W13J等用溅 的89DE:;/$的室温456值达 $# ?A-同年F月，G13H0.IDE3J（韩秀峰）等将经 过%7热处理后的89DE:;/$的室温456值提高到?&-K，?-$L

17、时达到&-A-$&同年AA月，M.11等在单晶5J 射法制备的89DEN:;/$，经$F%7热处理后的室温456值达到了K%-$%K年?月， & 中国科学院物理研究所的韩秀峰等用溅射法制 DE:;/$，发现铁电极层也是单晶膜，并且456具有各向异性- 备的89DEN:;/$的室温456值达#A，?-$L时达A%K-这是目前用;/$中所能获得的最大456值- F!456材料最近几年的研究进展 %，A $%A年，N.)/EB和51)(93等通过第一性原 !456材料的研究现状 ?% $%F年，89EU综合国际上的研究结果，对比 理计算从理论上预言，外延生长的单晶DE（%A）:5J的456值可能超过

18、A%-这是456材料研究进程中的一大理论突破，大大鼓舞了世界各个研究小组对456效应的进一步研究-用5J的新局 $ 面-$%年月，D1.BEIO032E3)等用分子束外延 了用;/$的研究进展情况-图$为各种绝缘势垒层的54=的研究进展情况，可以明显看出，用;/$的456值远小于用5J的456值，不能满足实际应用的要求 - 方法制备的DE:5J的室温456值高达K，#%L时高达A%-$%?年?月，M.11 等用分子束外延方法制备的单晶DE（%A）:5J （%A）:DE（%A）基54=的456值在室温下达到#，$%L时达到A?-同年A%月，这一研究小 ?组又将单晶DE（%A）:5J 54=的室温

19、456值提高到了A#%-同年同月， FP1BQ03等用溅射法制备的多晶89DE:5J 和89DE:5J的456值在室温下分别达到A#和$%-与外延生长法相比，磁控溅射法制备样品简便易行，成本低-因此，用磁控溅射法制备室温下具有高456值的54=有巨大的实际应用价值，并有望早日实现工业化批量生产-$%?年AA月，R(13J和N.)/EB 图$!各种绝缘势垒层的54=的研究进展 由于5J的456值明显高于用;/$-此外，用5J的热稳定性也比用;/$高-因此，目前大部分研究人员都将目光转向了用5J-?A $%年K月，M.11等用分子束外延方法制 又通过第一性 原理计算从理论上预言，S2289（A%）

20、:5J的456值将比DE（%A）:5J大数倍-这是对456效应研究的又一次推进-K $%F年$月，T01U1*B1,0B1等用磁控溅射法 备出单晶89（%A）:5J，其 #! 制备出89DEN:5J，经%7热处 !物理#卷（$%&年）期!()*：+,-,./0-12-23 前沿进展 456值在室温下达到7819&这是目前通过外延方法制备54:;所能获得的最高室温456值，但与 等.1，.8的预言值仍相差很大&同年同月，?= 等 70，7. 用溅射法制备的AB= 54:;的室温456值达到了.389& 在此之前，世界各个小组研究的都是传统的F 邻的铁磁电极层和绝缘势垒层扩散77，7J ，从而导致

21、 456值下降& 对此，为了在实验中进一步提高退火温度，得到更高的456值，研究人员提出并研究了非钉扎的KHI型54:;& 与F 最近的实验研究结果也证实，在KHI型54:;中，进一步提高退火温度后，由于消除了5,原子的扩散，并且5DE绝缘势垒层能够形成更好的（811）取向的单晶，同时非晶AB= 011L年J月，?=等73 用溅射法制备的 AB= &011/年/月，同一研究组的PQ=R* 等7L 又将溅射法制备的AB= 型54:;的室温456值提高到3179，温度为JM时的456值提高到88779&这是目前所有类型54:;中所能获得的最大456值，并且达到了和 5*!A,等.1，.8的理论预言

22、值& 除456值明显大于F KHI型54:;的缺点是，其硬磁层的稳定性低于F ! !#：$%&%()&*+&+,-限制了KHI型54:;的应用范围& L-小结与展望 获得456值高且其他性能优良的54:;有两个关键：一是寻找自旋极化率高的铁磁层材料；二是寻找优质的绝缘势垒层材料& 从54:;的研究进程可以看出，铁磁层材料已经从最初的铁磁金属B=， A，S)及其合金S)B=，B=A发展到其他掺杂合金B=4*S7/，AB= ，ABG=T 72，AB=H) 和高自旋极化率的半金属材料?*H5,E8L，J8J.J8，J7，JJJ3 .，B=.E7，AU5,UN(，AJLAJLJ/，AJ20B=H)，0

23、5,H)，A05,V=0B=N(H)，AB=N(31等，其织构也从外延单晶拓展到多晶和 非晶态&值得一提的是， 目前世界各个研究小组对半金属材料中的W=;(=合金研究也相对较多，并且获 得了较高的456值&011L年，4=XQ*等J2 制备的 AB=N(H)CN(ECAB=基54:;的室温456值达到L39，温度为7&0M时达到8139&同年，5*Q*O= 等31制备的AB=N(C5DECAB=基54:;室温456 值达到8129，温度为7&0M时达到.8L9&这一数值 与?=等73，7L获得的456值相比仍相差很大&综合 目前的实验结果可知，最佳的铁磁层材料是AB= 由于54:;中的绝缘势垒

24、层材料直接影响电子的隧穿行为，要改善54:;的性能就必须制备性能优良的绝缘势垒层材料，因此，有关绝缘势垒层材料的研究越来越引起人们的关注和重视&到目前为止，人们研究的绝缘势垒层材料包括氧化物、氮化物和半导体三类：氧化物除了常见的N(0E.和5DE外，还有 S)E01，AE01，WYE8/，0101，38300，4*E!，TE!，TN(E3.，WYN(E37723J!，4)N(E，ZE，HG4)E8L，J8J.J.等；氮化物有N(S7/，33.，*4)E.；半导体有FH 3L，N(V*N;3/，T,H32，N(N;L1，T,H=L8，L0 &用半导体做绝缘势垒层，可以有效地降低54:;的6N值，

25、并使绝缘势垒层厚度不致于太薄而造成针孔等缺陷，从而有利于实现磁电阻器件的数据高速传输和噪音降低&此外， 有的研究人员还在54:;的电极层和绝缘势垒层之间加入一层添加层，如B=T合金L. ，单晶（118）L7，有机物N(LJ.等来改善54:;的性 能&就目前的实验结果来看，最佳的绝缘势垒层材料是5DE& 虽然KHI型54:;的456值很高，热稳定性也 -物理./卷（0112年）3期 - 前沿进展 很好，但是其45值较高，仍然不能满足实际应用的要求-就用于计算机读磁头来说，要想使6789型的764读磁头在读取速率和噪声两方面均优于当前6789的45值则应低于的自旋阀型:64读磁头， =;!?型67

26、89的 F&，&：=%# F=!J.V，J0ZX，:N3A:!#$-(I9-4GP-D，F&，K;： 4#K= F#!/1)J，0G3ID，DGHRN,0)Q5C-5*/-(I9-JG)-，F&， &：$&F F&!:1/1AGHX8，1HR03?，J.V!#$-8-5*/-(I9-， F&=，#F：=;F $%!/1)J，0G3ID，DGHRN,0)Q5C-，8-5*/-(I9-，F&=， #F（#）：KK$ $F!?1)N6，YNL1I19(0Y-UCCC7H139-61A3-，F&=，：KK$!?.388，?N.914，:1/P1N77!#$-8-5*/-(I9-， F&#，#： $!?

27、N.914，?.388，?N1HG9!#$-5*/-(I9-JG)-，F&#， =：$# $;!?.388，?N1HG9，OHG0)19-5*/-(I9-JG)-，F&，=;： ;# $K!1HWN9N?，:G(133N，OGHHG0H14!#$-UCCC7H139-61A3-， F&，K：$&K$ $!1HWN9N?，OHG0)19，WG8G9.9!#$-5*/-(I9-JG)-， $%，=：F% $=!Y0R.2(0，?1)N6，YNL1I19(0Y-8-5*/-(I9-，$%，#= （&）：%KK $#!13ZO，10LN.7，Y1(I9-， $%，&：J;& $&!V.191?，?1)

28、N7，71 （）：; %!61)(N38，T(I9-4GP-D，$%F，：$%;%（4）!D.)/GHX，(13AZ:，?2(./)(G997-(I9-4GP-D，F $%F，：%K;F $!O1.HGE032G3)8，70.913，8N.A.G/G)C!#$-5*/-(I9-JG)-，$%，#$：;K%= !V.191?，O.R.90(I9-，$%;，;：JK# ;!V.191?，M1A1(1 $%;，：# K!1HR03?，Y109GH，132(./15!#$-M1).HG61)GH01/9， $%;，：#$ !(13AZ:，D.)/GHX-(I9-4GP-D，$%;，=%：F=$;%=!_1I1*H1,0H1，79.3GR1,1Y，M1A106!#$-5*/-(I9-$%K，#：%&$K%$JG)-， #!X13AZ，MNHW &!XG0Z，03，616，?(1H0S4，13ZO-8-5*/-(I9-，$%=，F%F：%&DK%F ;%!NGI6-M1).HG61)GH01/9，$%K，;：& ;F!V.191?，O.R.9(0(I9-JG)-， $%，#&：%;$K%K ;$!URGW