自旋电子学讲座2

自旋电子学系列讲座(2)自旋阀和隧道结及其应用翟亚主要内容„综述„自旋阀中的巨磁电阻„隧道结中的巨磁电阻效应„磁电阻的应用。„导致反铁磁耦合的方法除了磁性多层结构外，目前还有4种结构：¾磁性自旋阀的巨磁电阻（GMR）¾磁性隧道结的隧穿磁电阻（TMR）¾磁性颗粒膜的巨磁电阻（GMR）¾钙钛矿Mn氧化物结构的超大磁电阻（CMR）„在磁性多层膜中出现巨磁电阻的条件是:(1)多层膜中界面及铁磁层内部有自旋相关散射。(2)金属超晶格的周期(每一重复层的厚度)应比载流电子的平均自由程短.(3)在退磁状态下多层膜中相邻铁磁层Ms不平行或反平行。„Co/Cu多层膜室温下GMR第一峰值可达60-80%，但饱和场高达1Tesla，其磁场传感灵敏度S=MR/Hs并不高，低于0.01%/Oe，远小于AMR的玻莫合金低场下的灵敏度。„玻莫合金的饱和MR~3%，饱和场Hs~10Oe，S可达0.3%/Oe。„使GMR材料的Hs降低的常用方法是增加NM（如Cu)层厚度，使层间耦合减弱至零。应用巨磁电阻效应的关键指标之一是：高的磁场传感灵敏度自旋阀的巨磁电阻，无耦合三明治结构„典型的非耦合型自旋阀的结构为FM1/N/FM2或FM1/N/FM2/AF„电流平行膜面，CIP.„非铁磁层NM厚度达2nm以上，因而铁磁层间交换耦合很弱。(Cu厚2.3nm时，耦合≈0.)„两铁磁层通过不同的矫顽力Hc来控制在不同的磁场下磁矩反转。„在较低的磁场下，FM1和FM2呈现反铁磁耦合，在高磁场下，FM1和FM2呈现铁磁性耦合，从而获得较大的GMR和高灵敏度。‹铁磁层1和2厚度不同（或材料不同）导致两层的翻转场（开关场）不同；‹在低磁场下，反转场低的铁磁层先反转了，而反转场高的铁磁层还未转，从而造成相邻磁层的反平行排列，两磁层反铁磁耦合。‹高磁场下，两层磁矩都饱和在磁场方向，两铁磁层铁磁耦合。产生巨磁电阻‹FM1称为自由层。FM2的磁化方向被相邻反铁磁层AF的交换耦合钉扎，不易转动。‹当FM1为优质软磁时，它的Ms可在很弱的磁场作用下相对于FM2改变方向，产生巨磁电阻自旋阀中边界散射使电子平均自由程大大下降。如果在其边界形成纳米氧化层（NOL），对于电子而言，它的作用就是镜面反射层。这将增加平均自由程(即令R0减小)，从而使磁电阻比率MR=ΔR/R0增加。插入纳米氧化层(NOL)---镜面GMR自旋阀（spin-valve）MR比率大幅度提高，交换偏置场不变(卢正启等2002)结构：Ta3.5nm/NiFe2/IrMn6/CoFe1.5/Nol1/CoFe2/Cu2.2/CoFe1.0~4.0/Nol2/Ta3-20246810121416-600-400-2000200400600H(Oe)MR(%)-20246810121416-50-40-30-20-1001020304050H(Oe)MR(%)镜面自旋阀MR~15%Hf~5OeHex~400OeHc1~4Oe普通自旋阀MR~8%Hf~20OeHex~350OeHc1~3Oe高场低场模型：NOL由不连续NOL片断和FM和AFM之间的“桥”组成-----片断的长度MFP钉扎层—IrMn非磁层—Cu自由层—CoFe钉扎层CoFeNOL片断FM桥实验方法:截面HRTEM(WithShen.F;Zhang.Z;Wang.Y.G;Lu.Z.Q)AFM/FM界面相互作用~交换各向异性H(a)(b)HEasyaxisM‹在AFM/FM双层薄膜间的界面交换作用导致铁磁层磁滞回线的偏移，称为交换偏置效应。‹由于磁滞回线相对0场轴线不对称，也称为单向各向异性经过磁场冷却，Fe/F2双层膜在10K的磁滞回线。‹将铁磁-反铁磁材料在稳定磁场作用下从某一高于反铁磁体的奈尔温度TN又低于铁磁体的居里温度TC的温度冷却到奈尔温度以下，材料的磁滞回线将会沿着X轴偏移到冷却场的相反方向，这个磁滞回线的偏移就叫做交换偏置(HE)，同时伴随着矫顽力HC的增大。这些现象在反铁磁的奈尔点或者接近奈尔点时就消失了。由此可见是反铁磁体的出现导致了这种交换偏置。‹在1956年Meikleijohn和Bean在研究外面包裹着反铁磁氧化物（CoO）的Co颗粒时就发现了这种交换各向异性。后来又在其它包含了铁磁和反铁磁界面的各种不同系统中发现，比如：小颗粒系统、不均匀材料、长在反铁磁单晶上的铁磁薄膜以及薄膜系统中。‹在巨磁电阻器件的实用化过程中,铁磁(FM)/反铁磁(AF)双层膜的交换偏置效应起到了重要的作用。-30-20-100102030-1.0-0.50.00.51.0M/MsH(Oe)ZXξtAFtFMδFMγβαα0界面复合畴壁模型的四个特征角度α0，α，β，γ。反铁磁体的单轴各向异性沿Z轴方向。设外加反向磁场沿Z轴负向。这里仅标出一个晶格的反铁磁自旋。运用复合界面畴壁模型计算的NiFe(40nm)/FeMn(4nm)的磁滞回线。红点代表实验数据点，实线代表计算曲线。磁性隧道结的隧道磁电阻(TMR)磁性隧道结的隧道磁电阻(TMR)‹基本结构为FM1/IN/FM2，其中IN为绝缘层，纳米厚度，如Al2O3，其结构与自旋阀相似。‹电流垂直于膜面，CPP。‹基本结构为FM1/IN/FM2，其中IN为绝缘层，纳米厚度，如Al2O3，其结构与自旋阀相似。‹电流垂直于膜面，CPP。‹实验已得到室温下GMR达32%。由于这种结构本身电阻高，性能稳定，且MR比明显大于自旋阀，在应用上有其特点，因而引起新的重视。‹1995年，美国和日本的两位科学家J.S.Moodera和T.Miyazaki分别独立地在铁磁性隧道结(MTJ)中观察到室温下的隧穿磁电阻效应(TMR)T.Miyazakietal.,JMMM139(1995)L231TwoMTJ发展Py(5)Cu(20)Ta(5)IrMn(10)Co75Fe25(4)Co75Fe25(4)Al-O(1)Cu(20)Py(5)Ta(5)Py(5)Atypicalstructurewith11layersfortheMTJ(a)Lithography;(b)Electronbeamexposalsystem(c)FIB;(d)Chemicalreactiveetchingsystem热氧化硅片磁控溅射生长薄膜BarrierFMFM加工底电极磁控溅射生长薄膜甩胶去胶加工结区Ar离子刻蚀沉积SiO2去胶lift-off沉积Cu加工顶电极光刻胶CuSiO2加工底电极加工结区沉积SiO2去胶lift-off沉积Cu加工顶电极TwoX.F.Hanetal.,Appl.Phys.Lett.77(2000)283-285.806040200TMR(%)(a)T=300KMR=50%RS=3998Ωμm2S=8x8μm2VDC=1mVt=40sAnnealedat300oC806040200TMR(%)-4000-2000020004000H(Oe)(b)T=4.2KMR=69.1%RS=4481Ωμm2TypicalTMRvsHcurveswithadcbiasvoltageof1mVmeasuredatRTand4.2K.磁性/氧化物隧道结的TMR„自旋相关的隧穿效应使用磁性半金属的MTJ‹颗粒膜---微颗粒镶嵌于薄膜中所构成的复合材料体系。颗粒合金膜的巨磁电阻‹在4.2K，Co-Ag系统的GMR可达40%左右。‹因饱和场较高，尚未获得重要应用。‹颗粒的组成和薄膜的组成在制备态下应互不固溶----有别于合金，化合物等。‹和磁性多层膜类似，属于二相或多相非均匀体系，虽然对物理问题的理论处理逊色于多层膜，但是工艺制备却更简便，深受实际应用青睐。‹研究主要集中在两大材料体系：①银系，如Co-Ag，Fe-Ag，FeNi-Ag，FeCo-Ag等；②铜系，Co-Cu，Fe-Cu，等。氧化物的庞磁电阻效应(CMR)„具有钙钛矿结构的La-Mn-O系列„在一定的温度范围磁场使其从顺磁性或反铁磁性变为铁磁性，且在其磁性发生转变的同时氧化物从半导体的导电特性转变为金属性，从而使其电阻率发生巨大的变化，有时甚至高达数个数量级。Nd0.65Ca0.35MnO3在30K以下温度，50kOe的外磁场下，MR达到约106%„转变温度在低温，外加磁场需要几十kOe,为其获得应用的主要问题。Nd0.7Sr0.3MnO3薄膜的电阻和磁电阻‹低温下,金属性电阻.‹高温下,非金属性‹低温和高场下：MR≈106%.CMR材料的磁电阻实验结果1001502002503003504004500246810121416MR,Ca1.0Ba0.0MR,Ca0.6Ba0.4MR,Ca0.0Ba1.0MR,Sr0.5Ba0.5M,Ca0.6Ba0.4T(K)MR(%)01020304050Tc=303KM(emu/g)巨磁电阻的应用„巨磁电阻之所以在全世界受到持久的重视，是和它重要的应用分不开的。„在GMR出现之前，数值不大的AMR已得到应用。因此GMR一经发现，人们立即意识到会发展出比AMR器件更为灵敏的GMR器件。„GMR的基础研究及应用和开发研究几乎是齐头并进的。GMR的研究不仅在学术界，而且在工业界均受到重视，这是多层膜GMR研究之以发展迅速，并成为基础研究快速转化为实际应用的国际典范的原因。快速发展的GMR应用„1994年，GMR传感器进入市场。„1997年,IBM宣布生产GMR读出头，此后，不断提高硬盘存储密度。„下一个高技术、高经济效益的产品可能是GMR或TMR随机存储器(magneticrandomaccessmemory,MRAM)。其存储密度可与当前计算机使用的DRAM比拟，存取速度可与SRAM比拟，但停电不丢失数据。„现在的MRAM的存储密度已达到：IBM公司：16MbitMRAM的密度？传感器的发展„1970年以来,市场上的磁电阻传感器有半导体及磁性合金两种.★半导体磁电阻传感器:InSb-NiSb准共晶化合物,MR~200%atH=3000Oe.灵敏度:S=.067%/Oe.优点:大的磁电阻比值及线度较好;缺点:所需磁场较高,灵敏度不高,温度稳定性不够好★磁性AMR传感器,NiFeorNiCo薄膜.MR~3-5%.饱和场较低,e.g.Hs~10Oe.灵敏度:S~0.3-0.5%.优点:饱和场低,低场灵敏度高,温度系数小,稳定性好,价廉等;缺点:磁电阻比值不高.„1994年，GMR(SV)传感器进入市场,灵敏度更高。GMR传感器产生的信号比一般的AMR传感器大3-20倍，而且线性度和温度稳定性都不逊于AMR传感器。„传感磁场,特别是对微弱磁场的传感，如可用于伪钞识别器，弱磁场传感器等。„更广泛的应用是各类运动传感器，如对位置、速度、加速度、角度、转速等的传感，在机电自动控制、汽车工业和航天工业等方面有广泛的应用。„各种无接触磁控电位器等元件在电子学中可获应用。„自旋生物传感器‹GMR传感器一个比较典型的应用实例是在汽车的ABS（防抱死刹车）系统中，用来精确测量并控制汽车在刹车过程中的运动速度，防止车轮从高速转动状态因突然停止下来而造成失控。‹磁记录读出磁头(Readhead.)„GMR发现后不到十年，就被IBM公司用来制作计算机硬盘的读出磁头，从而带来硬盘面存储密度的飞速提高。GMR效应的两位发现者PeterGrünberg和AlbertFert也因此获得2007年诺贝尔物理学奖。„超高密度磁盘的发展使每记录单元的尺寸减小到亚微米尺寸，因而其产生的待测散磁场很微弱，为mT量级;另一方面，磁盘的小型化使其线速度减低。„传统的感应式磁头可写入足够小的记录单元，但无法读出，得不到足够的信噪比。„磁电阻及巨磁电阻读出磁头就成为实现新型超高密度磁记录的关键技术及目前唯一有效途径。数据存储密度以60%/年的速度增长1992年~10MB2002年~10GB1997年IBM公司率先推出GMR硬盘读出磁头每年创造10亿美元的销售额磁性材料可以看成是由很多个磁畴组成的整体，根据各个磁畴的磁化方向不同，可以将信息存储其中。在读取信息时，由读出磁头探测磁畴的磁化状态，转化成电信号进行处理。