隧道磁電阻效應(yīng)

在磁隧道結(jié)（MTJ s）中，TMR效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理是自旋相關(guān)的隧穿效應(yīng) 。MTJ s的一般結(jié)構(gòu)為鐵磁層 /非磁絕緣層 / 鐵磁層( FM / I/FM)的三明治結(jié)構(gòu)。飽和磁化時，兩鐵磁層的磁化方向互相平行，而通常兩鐵磁層的矯頑力不同，因此反向磁化時，矯頑力小的鐵磁層磁化矢量首先翻轉(zhuǎn)，使得兩鐵磁層的磁化方向變成反平行。電子從一個磁性層隧穿到另一個磁性層的隧穿幾率與兩磁性層的磁化方向有關(guān)。

如圖1所示,若兩層磁化方向互相平行，則在一個磁性層中，多數(shù)自旋子帶的電子將進(jìn)入另一磁性層中多數(shù)自旋子帶的空態(tài)，少數(shù)自旋子帶的電子也將進(jìn)入另一磁性層中少數(shù)自旋子帶的空態(tài)，總的隧穿電流較大；若兩磁性層的磁化方向反平行，情況則剛好相反，即在一個磁性層中，多數(shù)自旋子帶的電子將進(jìn)入另一磁性層中少數(shù)自旋子帶的空態(tài),而少數(shù)自旋子帶的電子也將進(jìn)入另一磁性層中多數(shù)自旋子帶的空態(tài),這種狀態(tài)的隧穿電流比較小。因此,隧穿電導(dǎo)隨著兩鐵磁層磁化方向的改變而變化，磁化矢量平行時的電導(dǎo)高于反平行時的電導(dǎo)。通過施加外磁場可以改變兩鐵磁層的磁化方向，從而使得隧穿電阻發(fā)生變化，導(dǎo)致TMR效應(yīng)的出現(xiàn)。 2100433B

早在1975年,Julliere就在Co/Ge/Fe磁性隧道結(jié)(MagneticTunnelJunctions，MTJs)（注：MTJs的一般結(jié)構(gòu)為鐵磁層/非磁絕緣層/鐵磁層(FM/I/FM)的三明治結(jié)構(gòu)）中觀察到了TMR效應(yīng)。但是，這一發(fā)現(xiàn)當(dāng)時并沒有引起人們的重視。在這之后的十幾年內(nèi)，TMR效應(yīng)的研究進(jìn)展十分緩慢（注：TMR效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理是自旋相關(guān)的隧穿效應(yīng)。）

1988年,巴西學(xué)者Baibich在法國巴黎大學(xué)物理系Fert教授領(lǐng)導(dǎo)的科研組中工作時，首先在Fe/Cr多層膜中發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻(GMR)效應(yīng)。TMR效應(yīng)和GMR效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了凝聚態(tài)物理學(xué)中新的學(xué)科分支——磁電子學(xué)的產(chǎn)生。20年來，GMR效應(yīng)的研究發(fā)展非常迅速，并且基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究幾乎齊頭并進(jìn)，已成為基礎(chǔ)研究快速轉(zhuǎn)化為商業(yè)應(yīng)用的國際典范。

隨著GMR效應(yīng)研究的深入，TMR效應(yīng)開始引起人們的重視。盡管金屬多層膜可以產(chǎn)生很高的GMR值，但強(qiáng)的反鐵磁耦合效應(yīng)導(dǎo)致飽和場很高，磁場靈敏度很小，從而限制了GMR效應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用。MTJs中兩鐵磁層間不存在或基本不存在層間耦合，只需要一個很小的外磁場即可將其中一個鐵磁層的磁化方向反向，從而實(shí)現(xiàn)隧穿電阻的巨大變化，故MTJs較金屬多層膜具有高得多的磁場靈敏度。同時，MTJs這種結(jié)構(gòu)本身電阻率很高、能耗小、性能穩(wěn)定。因此，MTJs無論是作為讀出磁頭、各類傳感器，還是作為磁隨機(jī)存儲器(MRAM)，都具有無與倫比的優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用前景十分看好，引起世界各研究小組的高度重視。

通常，氧化鎂磁隧道結(jié)的TMR值隨著退火溫度的升高而增大，這與退火引起的磁隧道結(jié)微結(jié)構(gòu)的變化密切關(guān)。用磁控濺射法制備的CoFeB/MgO/CoFeB磁隧道結(jié)，在外磁場中340℃真空退火1h，采用高分辨透射電鏡對制備態(tài)和退火態(tài)的樣品結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，發(fā)現(xiàn)CoFeB底電極在制備態(tài)下是非晶態(tài)，退火后發(fā)生晶化，勢壘層與電極層間的界面在退火后變得尖銳和光滑。采用X射線光電子能譜深度分析，對退火前后CoFeB/MgO界面處的成分變化進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，制備態(tài)時界面處形成了鐵的氧化物，退火后鐵的氧化物對應(yīng)的峰不存在。退火使得B元素擴(kuò)散到Mg0勢壘中，B與O形成了B的氧化物，從而使得Fe的氧化物減少。沉積態(tài)下MgO/CoFeB界面處沒有形成Fe的氧化物，而只存在B的氧化物。退火使得B的氧化物增多。由于較為潔凈的界面和界面處Fe的氧化物的減少，CoFeB底電極極化率增大，這是CoFeB/MgO/CoFeB具有高TMR值的原因。另外一個可能的原因是結(jié)晶取向的MgO勢壘層以及CoFeB/MgO之間平滑尖銳的界面。