隧道磁电阻效应

在磁隧道结（MTJ s）中，TMR效应的产生机理是自旋相关的隧穿效应 。MTJ s的一般结构为铁磁层 /非磁绝缘层 / 铁磁层( FM / I/FM)的三明治结构。饱和磁化时，两铁磁层的磁化方向互相平行，而通常两铁磁层的矫顽力不同，因此反向磁化时，矫顽力小的铁磁层磁化矢量首先翻转，使得两铁磁层的磁化方向变成反平行。电子从一个磁性层隧穿到另一个磁性层的隧穿几率与两磁性层的磁化方向有关。

如图1所示,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TMR效应的出现。 2100433B

早在1975年,Julliere就在Co/Ge/Fe磁性隧道结(MagneticTunnelJunctions，MTJs)（注：MTJs的一般结构为铁磁层/非磁绝缘层/铁磁层(FM/I/FM)的三明治结构）中观察到了TMR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，TMR效应的研究进展十分缓慢（注：TMR效应产生机理是自旋相关的隧穿效应。）

1988年,巴西学者Baibich在法国巴黎大学物理系Fert教授领导的科研组中工作时，首先在Fe/Cr多层膜中发现了巨磁电阻(GMR)效应。TMR效应和GMR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。20年来，GMR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GMR效应研究的深入，TMR效应开始引起人们的重视。尽管金属多层膜可以产生很高的GMR值，但强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GMR效应的实际应用。MTJs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MTJs较金属多层膜具有高得多的磁场灵敏度。同时，MTJs这种结构本身电阻率很高、能耗小、性能稳定。因此，MTJs无论是作为读出磁头、各类传感器，还是作为磁随机存储器(MRAM)，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。

通常，氧化镁磁隧道结的TMR值随着退火温度的升高而增大，这与退火引起的磁隧道结微结构的变化密切关。用磁控溅射法制备的CoFeB/MgO/CoFeB磁隧道结，在外磁场中340℃真空退火1h，采用高分辨透射电镜对制备态和退火态的样品结构进行了表征，发现CoFeB底电极在制备态下是非晶态，退火后发生晶化，势垒层与电极层间的界面在退火后变得尖锐和光滑。采用X射线光电子能谱深度分析，对退火前后CoFeB/MgO界面处的成分变化进行了研究，结果发现，制备态时界面处形成了铁的氧化物，退火后铁的氧化物对应的峰不存在。退火使得B元素扩散到Mg0势垒中，B与O形成了B的氧化物，从而使得Fe的氧化物减少。沉积态下MgO/CoFeB界面处没有形成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。由于较为洁净的界面和界面处Fe的氧化物的减少，CoFeB底电极极化率增大，这是CoFeB/MgO/CoFeB具有高TMR值的原因。另外一个可能的原因是结晶取向的MgO势垒层以及CoFeB/MgO之间平滑尖锐的界面。