新型磁性隧道结材料及其隧穿磁电阻效应

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隧道结磁电阻

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ｂｙｔｗｏｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｅｌｅｃｔｒｏｄｅｌａｙｅｒｓ．Ｗｈｅｎｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｍａｇｎｅｔｉｃｃｏｎｉｆｇｕｒａｔｉｏｎｏｆｂｏｔｈｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｅｌｅｃｔｒｏｄｅｌａｙｅｒｓ
文献标识码：Ａ
文章编号：１６７４—３９６２（２０１３）０６— ０３３９—１５
ＡＴｙｐｉｃａｌＭａｇｎｅｔｉｃＴｕｎｎｅｌＪｕｎｃｔｉｏｎＭａｔｅｒｉａｌａｎｄ
注的研究与应用热点。对磁性隧道结（ＭＴＪ）材料及其器件应用研究和进展进行了简要介绍。
关键词：巨磁电阻效应；隧穿磁电阻效应；磁性隧道结；第一性原理计算；自旋转移力矩效应；库仑阻塞磁电阻；磁随机存储器
中图分类号：ＴＢ３８３ Hale Waihona Puke Baidu
（中国科学院物理研究所，北京１０００００）
摘要：典型的磁性隧道结是“ 三明治 ” 结构，即由上下两个铁磁电极以及中间厚度为１ｎｍ量级的绝缘势垒层构成。当外加
磁场使两铁磁电极的磁矩由平行态向反平行态翻转时，隧穿电阻会发生低电阻态向高电阻态的转变。自从１９９５年发现室温隧穿磁电阻（ＴＭＲ）以来，非晶势垒的ＡＩＯ磁性隧道结在磁性随机存储器（ＭＲＡＭ）和磁硬盘磁读头（ＲｅａｄＨｅａｄ）中得到了广泛的应用，２００７年室温下其磁电阻比值可达到８０％。下一代高速、低功耗、高性能的自旋电子学器件的发展，迫切需要更高的室温ＴＭＲ比值和新型的调制结构。２００１年通过第一性原理计算发现：由于ＭｇＯ（００１）势垒对不同对称性的自旋极化电子具有自旋过滤（ＳｐｉｎＦｉｌｔｅｒ）效应，单晶外延的Ｆｅ（００１）／ＭｇＯ（００１）／Ｆｅ（ｏ０１）磁性隧道结的ＴＭＲ比值可超过１０００％，随后２００４年在单晶或多晶的ＭｇＯ磁性隧道结中获得室温约２００％的ＴＭＲ比值，２００８年更是在赝自旋阀结构ｃｏＦｅＢ／Ｍｇ０／ｃｏＦｅＢ磁性隧道结中获得高达６０４％的室温ＴＭＲ比值。伴随着新势垒材料的不断发现和各种磁性隧道结结构的优化，共振隧穿和自旋依赖的库仑阻塞磁电阻等新效应以及磁性传感器、磁性随机存储器和自旋纳米振荡器及微波检测器等新器件逐渐成为科学和工业界所关
ｃｈａｎｇｅｓｆｒｏｍｐａｒａｌｌｅｌｓｔａｔｅｔｏａｎｔｉ — ｐａｒａｌｌｅｌｓｔａｔｅｗｉｔｈｅｘｔｅｒｎａｌｍａｇｎｅｔｉｃｉｆｅｌｄ．ｔｈｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆＭＴＪｗｏｕｌｄｂｅｃｏｍｅｈｉｇｈｆｒｏｍ
ｌｏｗ，ｅｘｈｉｂｉｔｉｎｇｔｕｎｎｅｌｍａｇｎｅｔｏ — ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ（ＴＭＲ）ｄｕｅｔｏｓｐｉｎ — ｄｅｐｅｎｄｅｎｔｅｌｅｃｔｒｏｎｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ．ＡｍｏｒｐｈｏｕｓＡ１０ｂａｒｒｉｅｒ
（ＩｎｓｔｉｔｕｔｕｔｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００００，Ｃｈｉｎａ）
ＥｆｆｅｃｔｓｏｆＴｕｎｎｅｌＭａｇｎｅｔｏ－Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ
ＨＡＮＸｉｕｆｅｎｇ，ＬＩＵＨｏｕｆａｎｇ，ＺＨＡＮＧＪｉａ，ＳＨＩＤａｗｅｉ，ＬＩＵＤｏｎｇｐｉｎｇ，ＦＥＮＧＪｉａｆｅｎｇ，ＷＥＩＨｏｎｇｘｉａｎｇ，ＷＡＮＧＳｈｏｕｇｕｏ，ＺＨＡＮＷｅｎｓｈａｎ
第３２卷
第６期
中国材料进展
ＭＡＴＥＲＩＡＬＳＣＨＩＮＡ
Ｖｏ１．３２Ｎｏ．６
２０１３年６月
Ｊｕｎ．２０１３
新型磁性隧道结材料及其隧穿磁电阻效应
韩秀峰，刘厚方，张佳，师大伟，刘东屏，丰家峰，魏红祥，王守国，詹文山
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｔｙｐｉｃａｌｍａｇｎｅｔｉｃｔｕｎｎｅｌｉｕｎｃｔｉｏｎ（ＭＴＪ）ｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆａｔｈｉｎｉｎｓｕｌａｔｉｎｇｌａｙｅｒ（ａｔｕｎｎｅｌｂａｒｒｉｅｒ），ｓａｎｄｗｉｃｈｅｄ