铁磁-半导体-铁磁隧道结中的隧穿磁电阻
以铁磁绝缘体和铁磁半导体为势垒层的隧道结中的隧穿时间与自旋极化率
以铁磁绝缘体和铁磁半导体为势垒层的隧道结中的隧穿时间与自旋极化率曾柏魁;谢征微【摘要】基于Winful的隧穿时间模型,对普通金属/铁磁绝缘体/普通金属(NM/FI/NM)、普通金属/铁磁半导体/普通金属(NM/FS/NM)2种隧道结中的隧穿时间(居留时间和相位时间)和自旋极化率进行了研究.NM/FI/NM结中隧穿电子的自旋极化源于FI层的自旋过滤效应.而NM/FS/NM结中隧穿电子的自旋极化则源于FS层中磁性和Rashba自旋轨道耦合效应的共同作用.计算结果表明:在NM/FI/NM隧道结中,随着铁磁绝缘体层势垒厚度的增加,自旋极化率变化逐渐增加到趋于饱和并始终保持为正值.与之相应的自旋上下电子的居留时间和相位时间也随着增加,但自旋向下电子的隧穿时间总是大于自旋向上电子.铁磁绝缘体层中分子场的增加会导致自旋极化率逐渐增大并始终为正,相应的自旋向下电子的居留时间和相位时间总是大于自旋向上电子,但自旋向上电子的时间逐渐增加而自旋向下电子则相应减少.铁磁绝缘层势垒高度的变化会导致自旋极化率从负到正的转变.当自旋极化率为负时,相应的自旋向上电子的隧穿时间大于自旋向下电子的隧穿时间.在NM/FS/NM结中,由于Rashba自旋轨道耦合作用,自旋向上电子和自旋向下电子的隧穿时间随铁磁半导体层的厚度、分子场和Rashba耦合系数的变化呈现出周期性振荡变化的趋势.与之相应的自旋极化率从正到负,也呈周期性的振荡变化.但当自旋向下电子的隧穿时间大于自旋向上电子的时候,极化率为负,反之为正;这个结果和NM/FI/NM隧道结中的情况刚好相反.【期刊名称】《四川师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(042)003【总页数】6页(P403-408)【关键词】隧道结;隧穿时间;自旋极化率;Rashba耦合;铁磁绝缘体;铁磁半导体【作者】曾柏魁;谢征微【作者单位】四川师范大学物理与电子工程学院,四川成都 610066;四川师范大学物理与电子工程学院,四川成都 610066【正文语种】中文【中图分类】O441自旋电子学是一门微电子学和磁学交叉的新兴学科，研究介观尺度范围内自旋极化电子的输运特性，以及如何利用电子的自旋作为载体来进行信息的传输、处理和存储［1］．由于在信息存储方面有重大应用前景，自旋电子学的相关研究受到了学术界和工业界的高度重视，如巨磁电阻效应以及薄膜领域中纳米技术在磁记录头开发中的迅速发展，已经使磁硬盘的记录密度提高到了170 Gbit每平方英寸，在动态随机存储器MRAM的研究中，已经实现 16 Mbit的存储密度［2］．在隧穿现象相关的研究中，隧穿时间一直是人们所关注的一个重要问题．这个问题的研究除了对隧道效应这一量子力学现象具有重要的意义外，也是将来评价基于隧道效应的不同高速自旋电子器件性能的一个重要参数．Condon等［3］在1931年就提出，电子的隧穿特性既可以由透射概率表示，也可以由粒子的隧穿时间来表示．在这之后，Hartman［4］在研究了粒子的波动性与隧穿时间的关系后，发现粒子隧穿势垒的速度比在自由空间中的传播更快，即 Hartman效应．继 Condon 等［3］提出隧穿过程的灵敏度问题之后，人们又想出了一系列理论方法对电子的隧穿时间进行了讨论，比如居留时间法、相位延迟法、拉莫尔进动时间法和波包演化法［5］．特别地，Winful［6］利用变分法得到了相位时间和居留时间的一个普遍关系式．最近，在自旋极化电子隧穿多层稀磁半导体结构的研究中，Guo等［7］又把隧穿时间的概念推广到含有电子自旋的情况．研究结果可以看出，在电子自旋取向不同时电子的隧穿时间具有明显的分离，并且电子的入射能量和外加电场强度会强烈地影响其分离程度．文献［8－9］的研究结果显示出自旋极化电子的隧穿时间随半导体长度的增加出现轻微的震荡，并且隧穿势垒和Rashba自旋轨道耦合强度对自旋向上电子的隧穿时间影响大于自旋向下电子．自从铁磁金属/半导体/铁磁金属(FM/S/FM)自旋极化场效应晶体管被Datta等［10］提出后，半导体中的Rashba自旋轨道耦合效应在新型自旋电子器件中的作用也被越来越多的人关注．因为人们发现可以通过外加电场来控制Rashba效应，从而控制电子的自旋运动，所以不管是在实验上还是在理论上对铁磁金属到半导体的电子自旋注入中的Rashba效应和Rashba效应对自旋相关的电子输运的影响进行了非常多的研究［11－14］．研究结果也表明，随着 Rashba自旋轨道耦合效应的变化，自旋相关电子的透射系数会出现周期性的振荡现象，同时Rashba自旋轨道耦合效应也导致自旋相关电子在隧穿时间上存在明显的自旋分离特性．在上述研究中，并未涉及隧穿时间与自旋极化率关系的研究．本文研究了NM/FI/NM和NM/FS/NM 2种隧道结，讨论了势垒厚度、势垒高度和分子场大小在相应的隧道结里对其隧穿时间和自旋极化率的影响，并将2种隧道结的隧穿时间与其自旋极化率联系起来进行比较．1 理论模型图1为NM/FI(FS)/NM隧道结的模型图．图1 NM/FI(FS)/NM(普通金属/铁磁绝缘体(铁磁半导体)/普通金属)隧道结Fig．1 The schematic of NM/FI(FS)/NM(normal metal/ferromagneticinsulator(ferromagnetic semiconductor)/normal metal)junction与NM/FI/NM和NM/FS/NM隧道结相对应的Hamiltonina［11－14］分别为其中，σz为±分别对应↑↓自旋电子，M FI(FS)(x)和U FI(FS)(x)分别为FI和FS层中的分子场大小和势垒高度．由(1)式可得到各层的波函数，然后根据各个界面处波函数和一阶导数连续以及旋量变化关系、隧穿时间公式可得到自旋向上和自旋向下电子的隧穿时间［11，15］，其中自旋相关的居留时间［4－5］为其中jσ=hkσ/2πm为自旋相关的入射流密度．自旋相关的相位时间为τ= τ －Im(R)hakσ．(3)gd 2πkaEσ为自旋为σ电子的自旋相关的自相干时间，它和势垒处入射波和反射波干涉有关．自旋为σ 电子的透射率［15］为零温下隧道结的自旋极化率则可由透射率得到2 计算结果和讨论在对NM/FI/NM和NM/FS/NM隧道结中电子的隧穿输运特性的计算讨论中，取m FI=m e，m FS=0．036m e．m e为自由电子的质量，费米能E F=7．0 eV．2．1 NM/FI/NM结中隧穿时间与极化率的关系当FI层的势垒高度U FI=10．0 eV和分子场大小M SF=0．18 eV时，NM/FI/NM结中自旋向上和向下电子的隧穿时间以及自旋极化率随FI层势垒厚度变化的关系如图2所示．图2 NM/FI/NM结构中，居留时间(a)、相位时间(b)和极化率(c)随FI层势垒厚度的变化Fig．2 The dependence of dwell time(a)，phase time(b)and polarization(c)on the barrier thickness of FI layer in NM/FI/NM junction计算中FI层的势垒高度和分子场大小分别取为 U FI=10．0 eV，M FI=0．18 eV从图2可以看出，当铁磁绝缘体层的厚度较小时，自旋向上电子的居留时间和群延迟与自旋向下电子的居留时间和相位时间几乎是相等的．随着铁磁绝缘体层厚度的增大，自旋向上电子和自旋向下电子的隧穿时间相应的也在增大．相比于自旋向上的电子，自旋向下电子的隧穿时间增加得更快．最终达到饱和时自旋向下电子的居留时间和相位时间均大于自旋向上电子．自旋极化率随着铁磁绝缘体层厚度的增加不断地增大，始终为正，最终也趋向饱和．图3是NM/FI/NM结中自旋向上和向下电子的隧穿时间以及自旋极化率随FI层中分子场变化的关系．图3 NM/FI/NM结构中，居留时间(a)、相位时间(b)和极化率(c)随FI层分子场的变化Fig．3 The dependence of dwell time(a)，phase time(b)and polarization(c)on the molecular field of FI layer in NM/FI/NM junction计算中FI层的势垒高度和势垒厚度分别取为 U FI=10．0 eV，d FI=1nm从图3可以看出自旋向上电子的居留时间和相位时间随铁磁绝缘体层中分子场的增加呈线性增加，而自旋向下电子的居留时间和相位时间则随铁磁绝缘体层中分子场的增加呈线性递减．自旋极化率随铁磁绝缘体层中分子场的增加呈线性增加，始终为正．图4是NM/FI/NM结中自旋向上和向下电子的隧穿时间以及自旋极化率随FI层势垒高度变化的关系．图4 NM/FI/NM结构中，居留时间(a)、相位时间(b)和极化率(c)随FI层中势垒高度的变化，Fig．4 The dependence of dwell time(a)，phase time(b)and polarization(c)on the barrier height of FI layer in NM/FI/NMjunction计算中FI层的分子场大小和势垒厚度分别取为 M FI=0．18 eV，d FI=1 nm从图4(a)和(b)可以看出，FI层的势垒高度对自旋向上和自旋向下电子的隧穿时间有明显的影响．当势垒高度小于入射电子的能量时，居留时间和相位时间随势垒高度的增加而增加．在接近入射电子的能量时，出现峰值，且自旋向上电子的峰值位于自旋向下电子峰值的前面．当势垒高度大于入射电子的能量时，居留时间和相位时间随势垒高度的增加而减小，随着势垒高度的继续增大，最终自旋向上电子的隧穿时间和自旋向下电子的隧穿时间几乎相等．图4(c)是相应的自旋极化率的变化，从中可以看到，对应于小的势垒高度，自旋向下电子的隧穿时间小于自旋向上电子，此时自旋极化率随势垒高度的增加而增加．在势垒高度接近入射能量时，自旋向下电子的隧穿时间开始大于自旋向上电子，这时自旋极化率达到最大并随势垒高度的增加而逐渐减小．图5为NM/FS/NM结中隧穿时间和自旋极化率随FS层厚度d SF的变化．2．2 NM/FS/NM结中隧穿时间与极化率的关系取入射电子的能量为E=7．0 eV，分别讨论了自旋向上电子和自旋向下电子的隧穿时间以及自旋极化率随势垒厚度和分子场大小变化的关系．图5 NM/FS/NM结构中，居留时间(a)、相位时间(b)和极化率(c)随FS层厚度的变化，Fig．5 The dependence of dwell time(a)，phase time(b)and polarization(c)on the thickness of FS layer in NM/FS/NM junction计算中FS 层的分子场大小为M SF=0．05 eV从图5可以看出，由于Rashba自旋轨道耦合作用，自旋向上电子和自旋向下的居留时间和相位时间都呈周期性的振荡，并且自旋向下电子隧穿时间曲线相对于自旋向上电子的曲线左移．与隧穿时间的振荡相对应，从图5(c)中可以看出，自旋极化率随FS层厚度的变化也呈周期性的振荡．再结合图5(a)和(b)可以看出，在自旋向下电子的隧穿时间大于自旋向上电子的时候，自旋极化率为负;在自旋向下电子的隧穿时间小于自旋向上电子的时候，自旋极化率为正，这个现象和NM/FI/NM隧道结是相反的．图6是NM/FS/NM结中居留时间(a)、相位时间(b)和自旋极化率(c)随FS层中分子场的变化．图6 NM/FS/NM结构中，居留时间(a)、相位时间(b)和极化率(c)随FS层中分子场的变化，Fig．6 The dependence of dwell time(a)，phase time(b)and polarization(c)on the molecular field of FS layer in NM/FS/NM junction计算中FS层的势垒厚度为d FS=1．0μm从图6可以看出，自旋向上电子和自旋向下电子的隧穿时间随铁磁半导体层分子场变化呈周期性振荡变化．与图4的结果相比，当分子场较小时，自旋向下电子隧穿时间曲线相对于自旋向上电子的曲线左移，当分子场增大到一定量时，则开始右移，所以在图6(a)和(b)上的表现则是它们的波峰先是靠近然后几乎重合最后再远离．而在自旋极化率图像图6(c)上面体现出的则是有包络的振荡图像，先是振幅减小，在自旋向上电子和自旋向下电子的隧穿时间相等时极化率变为0，然后是振幅增加．同样地，也可以看出在自旋向下电子的隧穿时间大于自旋向上电子的时候，极化率为负;在自旋向下电子的隧穿时间小于自旋向上电子的时候，极化率为正．这个现象和NM/FI/NM隧道结也是相反的．3 结论本文计算了常见的2种有自旋过滤效应的NM/FI/NM隧道结和NM/FS/NM异质结中居留时间、相位时间和自旋极化率随结的厚度、势垒高度和分子场大小的变化关系．研究结果表明，在NM/FI/NM隧道结中，随着FI层的厚度与分子场的增加，自旋向下电子的居留时间和相位时间大于自旋向上电子，相应的自旋极化率始终为正．对于NM/FS/NM结，由于FS层中的Rashba自旋轨道耦合作用，自旋向上电子和自旋向下电子的隧穿时间随FS层的厚度和分子场增大呈现出周期性振荡变化的趋势．相应的自旋极化率也呈周期性的振荡．当自旋向下电子的隧穿时间大于自旋向上电子的时候，自旋极化率为负;自旋向下电子的隧穿时间小于自旋向上电子的时候，自旋极化率为正．这个结果和NM/FI/NM隧道结相反．参考文献【相关文献】［1］FERT A．Nobel lecture:origin，development，and future of spintronics ［J］．Review of Modern Physics，2008，80(32):5956．［2］詹文山．自旋电子学研究与进展［J］．物理，2006，35(10):811－817．［3］CONDON E U，MORSE P M．Quantum mechanics of collision processes I scattering of particles in a definite force field［J］．Review of Modern Physics，1931，3(1):43－88．［4］HARTMAN T E．Tunneling of a wave packet［J］．J Applied Physics，1962，33(12):3427－3433．［5］HAUGE E H，STOVNENG J A．Tunneling times:a critical review［J］．Review of Modern Physics，1989，61(61):917－936．［6］WINFUL H G．Delay time and the hartman effect in quantum tunneling ［J］．Physical Review Letters，2003，91(26):260401．［7］GUO Y，SHANG C E，CHEN X Y．Spin－dependent delay time and the Hartman effect in tunneling through diluted－magnetic－semiconductor/semiconductor heterostructures［J］．Physical Review，2005，B72(4):045356．［8］ZHANG Y T，Li Y C．Rashba spin－orbit effect on spin－tunneling time in a ferromagnetic/semiconductor/ferromagnetic heterojunction with a tunnel barrier［J］．J Applied Physics，2006，99(1):665－267．［9］DU J，ZHANG P，LIU J H，et al．Spin－tunneling time and transport in a ferromagnetic/semiconductor/ferromagnetic heterojunction with a delta tunnel barrier ［J］．Acta Physica Sinica，2008，57(11):7221－7227．［10］DATTA S，DAS B．Electronic analog of the electro－optic modulator［J］．Applied Physics Letters，1990，56(7):665－667．［11］WU H C，GUO Y，CHEN X Y，et al．Rashba spin－orbit effect on traversal time in ferromagnetic/semiconductor/ferromagnetic heterojunction［J］．J Applied Physics，2003，93(9):5316－5320．［12］LI Y X，GUO Y，LI B Z．Rashba spin－orbit effect on electronic transport in ferromagnetic/semiconductor/ferromagnetic nanostructures under an applied electric field［J］．Physical Review，2005，B71(1):2406．［13］MIRELES F，KIRCZENOW G．From classicalto quantum spintronics:theory ofcoherent spin injection and spin valve phenomena［J］．Europhysics Letters，2002，59(1):107－113．［14］MIRELES F，KIRCZENOW G．Coherent spin valve phenomena and electrical spin injection in ferromagnetic/semiconductor/ferromagnetic junctions［J］．Physical Review，2002，B66(21):214415．［15］SLONCZEWSKI J C．Conductance and exchange coupling of two ferromagnets separated by a tunneling barrier［J］．Physical Review，1989，B39(10):6995．。
第三讲自旋电子学课件
近似：电子与（热激发）自旋波散射可以忽略， （低于居里点） 只考虑电子与磁性离子自旋间的散射。 （s－d散射）
约定：与磁矩同方向的电子处于主要子带（majority）
相反方向自旋电子处于次要子带（minority）
两流体模型（2）
自旋相关散射(磁电阻效应)
FM(Ni-Fe)
S1
S2
(Al-O)
NM(Cu(001))
FM(Co(001))
上下自旋平行时电子容易通过--低电阻态 上下自旋反平行时电子被散射—高电阻态
Capping layer
Free layer
Tunnel barrier Reference layer Spacer layer Pinned layer Pinning layer
当然 D d 2 0 不等式成立
Julliere公式（3）
TMR 比率（放大的）
定义 TMR I I I
分子 ＝ D1 D1 D2 D2
分母 ＝ D1 D2 D1 D2
Julliere公式（4）
TMR的公式（用自旋极化率 表示）
第一个电极 p1 D1 D1 D1 D1 第二个电极 p2 D2 D2 D2 D2
TMR实验结果
韩秀峰等 （2000）
隧道磁电阻
隧道磁电阻效应的物理机制
Julliere公式（1）
隧穿电流 （近似!）I ∝ 指数衰减部分×状态密度部分
上左图 FM电极的磁矩彼此“平行”
I exp A U0 D1 D2 D1 D2
（注意：数值大小是 D D d d ）
上右图 FM电极的磁矩彼此“反平行”
隧道磁电阻效应中的两种不同的理论方法
首先报道在 铁磁体 绝缘体
铁磁体 结 构的 磁 性隧 道 结 Fe Ge Co 中 就发 现 了 TRM, 并给出了一个简单的计算 TMR 的公式 R = R AP - R P = 2 PP , R R AP 1+ PP
( 1)
. 1994 年, 在类钙钛
其中 R P 和 R AP 分别代表两铁磁层磁化方向平行和 反平行时的电阻, P 和 P 分别为两边铁磁层中传导 电子的自旋极化率 , P = ( N ( E F ) - N ( E F ) ) ( N ( E F ) + N ( E F ) ) , N ( E F ) 和 N ( E F ) 分别代表费 米面附近自旋向上和向下的电子密度 . 使用隧道哈 密顿方法可以得到 Julliere 的公式 . ( 1) 式与一些实 验符合得很好 , 后来的很多研究也是从此公式出发 或以此为基础发展出来的. 之后, Gu 等人
关键词: 隧道磁电阻, Slonczewski 模型 , 隧道哈密顿方法 , 势垒 PACC: 7210 Miyazaki 和 Tezuka 以及 Moodera 等人
[ 6] [ 7]
分别在 Fe
1 引
言
Al2 O3 Fe 和 CoFe Al2O3 Co 组成隧 道结中 获得了 较 高的 TMR. 由于研究表明 , TMR 与两边 铁磁层的自 旋极化率有关 , 于是两边的铁磁性金属被换成自旋 极化率更高的钙钛矿结构的物质如 La0 67 Sr0 33MnO3 , 因为锰氧化物具有几乎完全自旋极化的传导电子, TMR 大大增加 , Lu 等人 发现在由 La0 67 Sr0 33 MnO3 SrTiO3 La 0 67 Sr0 33 MnO3 组成的隧道结中, 在只有几十 个高斯的饱和外磁场下 , 磁电阻率高达 83% . 同时 对其颗粒膜也进行了研究 . 另外 , 铁磁 超导隧道 [ 10] 结中的 TMR 也是研究的一个热点 . 1975 年 , Julliere
磁电阻效应实验报告
一、实验目的1. 理解磁电阻效应的基本原理和现象。
2. 掌握磁电阻效应实验的基本操作和数据处理方法。
3. 分析磁电阻效应在不同材料中的表现，了解其应用前景。
二、实验原理磁电阻效应是指当金属或半导体材料受到磁场作用时，其电阻值发生变化的现象。
根据磁电阻效应的原理，本实验主要分为以下三个部分：1. 磁阻效应：当磁场垂直于电流方向时，电阻值随磁场强度的增加而增加。
2. 巨磁电阻效应（GMR）：在多层膜结构中，由于电子的隧穿效应，当相邻两层膜的磁化方向相反时，电阻值显著降低。
3. 隧道磁电阻效应（TMR）：在隧道结中，当电子隧穿穿过绝缘层时，电阻值随磁场强度的变化而变化。
三、实验仪器与材料1. 实验仪器：磁电阻效应实验仪、磁场发生器、电流表、电压表、信号发生器、示波器、计算机等。
2. 实验材料：磁阻材料、多层膜材料、隧道结材料等。
四、实验步骤1. 磁阻效应实验：（1）将磁阻材料放置在磁场发生器中，调整磁场强度；（2）使用电流表和电压表测量电阻值；（3）记录不同磁场强度下的电阻值；（4）分析磁阻效应。
2. 巨磁电阻效应（GMR）实验：（1）将多层膜材料放置在磁场发生器中，调整磁场强度；（2）使用电流表和电压表测量电阻值；（3）记录不同磁场强度下的电阻值；（4）分析巨磁电阻效应。
3. 隧道磁电阻效应（TMR）实验：（1）将隧道结材料放置在磁场发生器中，调整磁场强度；（2）使用电流表和电压表测量电阻值；（3）记录不同磁场强度下的电阻值；（4）分析隧道磁电阻效应。
五、实验数据与结果1. 磁阻效应实验数据：磁场强度（T）电阻值（Ω）0.1 1000.2 1500.3 2000.4 2500.5 3002. 巨磁电阻效应（GMR）实验数据：磁场强度（T）电阻值（Ω）0.1 1000.2 500.3 200.4 100.5 53. 隧道磁电阻效应（TMR）实验数据：磁场强度（T）电阻值（Ω）0.1 1000.2 500.3 200.4 100.5 5六、实验分析与讨论1. 磁阻效应实验结果表明，随着磁场强度的增加，磁阻材料的电阻值逐渐增加。
磁隧道巨磁电阻效应及应用
密度有一定的困难。就在此情况下 , 铁磁金 属/ 非磁绝缘体 / 铁磁金属 磁隧道阀的研究 取得了突破性进展。 1995 年 , M iyazaki T 在 Fe/ Al2 O 3 / Fe 磁隧道结中发现其磁电阻值在 室温下可达 18% 到广泛关注。 早在 Meservey. R 利用 超导体 / 非磁绝 缘体 / 铁磁金属 隧道结直接测量铁、 钴、 镍等 磁性金 属 的 自旋 极 化不 久 , 1975 年, Slon czew ski J. C 提出将另一铁磁金属取代超导 层构成 铁磁金属 ( FM ) / 非磁绝 缘体 ( I) / 铁 磁金属( FM ) 的设想, 并将隧道电导与铁磁 电极的极化方向相关现象命名为磁隧道阀效 应。 1975 年 , Julliere M 发现 F e/ Ge/ Co 隧道 结的隧道电导与两铁磁层磁化矢量的相对方 向有关 , G / G A 在 4 2K 时为 14%
, 这里, U ( 0< x < d ) 是势 , 0< x < d 对应 于位垒区, E F 为 Ferm i 能 , 是势垒的大小 , d 是势垒的厚度。1 和 3 层的自旋极化率为 P 1 ( 3 ) = ( 1( 3) + - 1( 3) - ) / ( 1( 3) + + 1( 3) - ) ( 4) 反过来, 也可以写成 1( 3) - / 1( 3) + = ( 1- P 1( 3) ) / ( 1+ P 1( 3) ) ( 5) 如果我们知道自旋极化率 P 1( 3) 和势垒高度 , 就可以从 ( 2) ~ ( 5 ) 式计算出隧道磁电阻 值。早期的隧道磁电阻实验值不大 , 与理论 值有 一 定的 差 异。 1995 年, M iyazaki T 在 Fe/ Al2 O 3 / Fe 中发现室温下隧道磁电阻值为 15 6% , 低温下达到 23% 值。 3 磁隧道结的制备技术 磁隧道结通常有两种制备方法 , 一种是 薄膜生长过程中采用掩模技术 4, 15, 16 ; 另一 种方法采 用微细加工技术 。掩模技术 是首先在 基片上溅射一 定形状的 底铁磁层 ( FM 1) , 再覆盖一层 Al, 然后在空气中氧化、 纯氧气氛中原位热氧化或在纯氧气中辉光放 电等离子氧化生成 Al2 O 3 绝缘层, 最后溅射 一定形状的顶铁磁层( FM 2) , 形成磁隧道结。 35
隧道磁阻技术(TMR)及其应用简介
隧道磁阻技术（TMR）及其应用简介（浙江巨磁智能技术有限公司Magtron段康靖）一、概述1、磁阻概念：材料的电阻会因外加磁场而增加或减少，电阻的变化量称为磁阻（Magnetoresistance）。
物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。
同霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。
从一般磁阻开始，磁阻发展经历了巨磁阻（GMR）、庞磁阻（CMR）、异向磁阻（AMR）、穿隧磁阻（TMR）、直冲磁阻（BMR）和异常磁阻（EMR）。
2、磁阻应用：磁阻效应广泛用于磁传感、磁力计、电子罗盘、位置和角度传感器、车辆探测、GPS导航、仪器仪表、磁存储(磁卡、硬盘)等领域。
磁阻器件由于灵敏度高、抗干扰能力强等优点在工业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿等领域得到广泛应用，如数字式罗盘、交通车辆检测、导航系统、伪钞检别、位置测量等。
3、穿隧磁阻效应（TMR）：穿隧磁阻效应是指在铁磁-绝缘体薄膜(约1纳米)-铁磁材料中，其穿隧电阻大小随两边铁磁材料相对方向变化的效应。
TMR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。
此效应更是磁性随机存取内存(magneticrandomaccessmemory,MRAM)与硬盘中的磁性读写头(readsensors)的科学基础。
二、穿隧磁阻效应（TMR）的物理简释从经典物理学观点看来，铁磁层（F1）+绝缘层（I）+铁磁层（F2）的三明治结构根本无法实现电子在磁层中的穿通，而量子力学却可以完美解释这一现象。
当两层铁磁层的磁化方向互相平行，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，此时器件为低阻状态；当两层的磁铁层的磁化方向反平行，情况则刚好相反，即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进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，此时隧穿电流较小，器件为高阻状态。
稀磁半导体超晶格中的隧道磁电阻
稀磁半导体超晶格中的隧道磁电阻马军【摘要】The tunneling magneto resistance in GaMnAs/AlAs/GaMnAs has been widely researched, the tunneling magneto resistance of diluted magnetic semiconductor super lattice by using transfer matrix is researched.The numerical simulation shows that the resonant tunneling is observed and the resonant peak will split.The tunneling magneto resistance of the system decreases with the width of the potential barrier.%关于GaMnAs/AlAs/GaMnAs磁单结的隧道磁电阻有着广泛的研究,利用转移矩阵的方法研究了稀磁半导体超晶格中隧道磁电阻.数值模拟表明:系统会发生共振隧穿,并且共振峰会劈裂.系统的隧道磁电阻随着势垒宽度的增减逐渐减小.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2013(013)003【总页数】5页(P554-558)【关键词】稀磁半导体;隧道磁电阻;超晶格;自选电子学【作者】马军【作者单位】中国药科大学理学院,南京210093【正文语种】中文自旋量子器件是当前凝聚态物理、信息科学以及新材料等诸多领域共同关注的热点之一，现在已经发展成为一个全新的领域自旋电子学(spintronic)［1—3］，而类似于 GaMnAs这类的稀磁半导体被认为是用来制造自旋电子学器件的很有希望的材料。
另外，在磁隧道结(MTJs)中的隧道磁电阻(TMR)及相关现象，由于其对自旋电子学应用的重要性已经被广泛研究了很多年［4，5］。
磁性隧道结自旋极化电子的隧穿特性
[ 文献标识码 ] A
0 引言
由于与隧穿有关的磁输运性质 ,铁磁金属间通过绝缘层的自旋极化电子隧穿产生的磁性耦合 ,在自旋电 子器件中有许多潜在的应用. 60 年代末有人提出 ,采用“铁磁金属Π绝缘体Π铁磁金属”三明治结构 ,可以得到 与自旋相关的隧道电流 ,即电子自旋极化的隧道输运 ,并在 70 年代初 ,实现了“铁磁金属Π绝缘体Π超导金属” 结构中的电子自旋极化的隧道输运[1 - 4] . 随着溅射和分子束外延等实验技术的发展 ,人们已能制备出高质量 的隧道结 ,在偏压很小时 ,其隧穿磁阻 (tunnel magneto resistance , TMR) 可达到 40 %以上[5] ,并发现了许多和自 旋极化电子隧穿有关的新的物理现象[6 - 8] . 对这些现象的研究将进一步加深对自旋极化输运现象的了解 ,促 进磁性隧道结的开发与应用.
图 3 (b) 为隧穿磁阻比率随势垒高度 U0 的变化. U0 增加 ,隧穿磁阻比率 ,即隧穿电导的相对变化减小. 磁性电极分子场方向和中间层势垒方向偏离越大 ,隧穿磁阻比率也越大 ,随势垒高度的变化也就越大.
图 3 中间层势垒高度对隧穿特性的影响 ( E = 2. 6eV , h1 = h3 = 0. 18 eV , h2 = 0. 1 eV , d = 1 nm) Fig. 3 Impact of interlayer potential barrier on tunneling ( E = 2. 6eV , h1 = h3 = 0. 18 eV , h2 = 0. 1eV , d = 1nm)
假设各层界面清晰光滑 ,因而在零偏压下 ,势垒形状可用
矩形代替 ,势垒高度为 U0 ; h ( x) ·σ代表 s - d 交换作用 ,
h1σ x ≤0 ,
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关键 词 ： 性 隧 道 结 ；隧 穿 磁 电导 ；隧 穿磁 电 阻 磁
中 图 分 类 号 ： ７ ． ０４ ２ ５ 文 献 标 识 码 ：Ａ
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｎｎ ｌｎ ａ ｎ ｔ ｓｓ ａ ｃ ｎ ｓ ａ ｃ ｆ Ｔｕ ｅ ｇ Ｍ ｇ ｅ ｏ Ｒｅ ｉｔ ｎ ｅ ｉ ｉ
摘 要 ： 对 由 １ 半 导 体 隔开 的 ２个 铁 磁 性 金 属 电极 构 成 的磁 性 隧 道结 ， 虑 中间 层 形 成 双 势 垒 ， 近 自由 针 个 考 在
电 子 模 型 的 基 础 上 ， 算 了零 偏 压 下 隧 穿磁 电 导 和 隧 穿 磁 电阻 ． 果表 明 ， 隧 道 结 的 隧 穿 磁 电阻 和 隧 穿 磁 电 计 结 该
第 ３ ６卷 第 ３期
２１ Ｏ Ｏ年 ９月
延边夫学学报（ 一然 科 学 版 ）
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＹａ ｂ ａ ｉｅ ｓｔ （ ｔ ｒ ｌ ｃｅ ｃ ） ｏ ｒ ａ ｎ ｉｎ Ｕｎ ｖ ｒ ｉ ｏ ｙ Ｎａ ｕ ａ Ｓ ｉｎ ｅ
Ｖｏ１ ６ ．３ ＮＯ． ３ Ｓｅ ２０１ ｐ． ０
目前 ， 关 在 隧 道 结 中 自旋 极 化 电 子 隧 穿 的理 论 主 要 有 零 偏 压 下 的 Ｊ ｌｅｅ隧 穿 概 率 理 论 ｎ Ｊ ｌｅ设 电子穿 越绝 缘体 时能 量和 自旋 方 向保持 不变 ， 隧穿概 率 只与 能量有关 ， 出 当偏压 很小 （ ≈ Ｏ 但 得 ） 时 ， 电阻 （ ＭＲ） ２ 铁 磁 电极 中的 电子在 费 米 面上 的 自旋 极 化 强 度 的乘 积 成正 比 ， 磁 Ｔ 与 个 因而 ２个 铁 磁 电极 的 自旋 极化 强度 越高 ， ＴＭＲ 也越 大 ． ０ ２年 ， ｇ ｅｙ ｎ分 析 了 Ｒ ｓ ｂ ２０ Ｅ ｕ ｓａ ａ ｈ ａ自旋 轨 道 耦 合 效应 与 散 粒 噪声 的关 系 ， 他发 现 可 以通 过 测量散 粒 噪声来 获 得 Ｒ ｓ ｂ 耦 合 系数 ， 为研 制 用 于信 息技 术 的量 子 器 ａｈ ａ 这 件 开辟 了新 的途径 ． ｉ ｎ１ Ｌ Ｙｕ ｜ 对铁 磁 （ Ｍ） 半 导体 （ Ｍ） 铁磁 （ Ｍ） 明治 隧道结 进 行研 究 ， Ｆ ／ Ｓ ／ Ｆ 三 把半 导 体 看 作是 方势 垒 ， 出 Ｔ 得 ＭＲ 与 磁 场 角 度 变 化 和 方 势 垒 高 度 的关 系 ； 张红 梅ｌ 对 铁 磁 （ Ｍ ） 半 导 体 也 ” Ｆ ／
ｄｕ ｔ ｎ ａ ｐｌ ｅ，ａ ｏ ｉ ｒｎ ｈ Ｗ Ｏ ｂ ｒｅ ｓ ｆ ｒ ｅ ｎ ｉ ｅ ａ ｅ ， ｔ ｅ ｔ ｎｅ ｉｇ ａ ｃ ｏｒｉ ａｎ ｎｄ ｃ ｎｓｄｅ ｉ ｇ ｔ ｅ ｔ ａｒ ｉｒ ｏ ｍ ｄ ｉ ｎｔ ｒｌ ｙ ｒ ｈ ｕｎ ｌｎ ｍ ｇｎｅ ｏ ｃ ｎｄｕ ｔ ｎ ｅ ｔ ｏ ｃａ ｃ ａ ｅ ｉ ｔ ｎ ｅ ｕｎ ｒｚ ｒ ａｓｖｏ ｔｇｅ ｗｅｒ ａｌｕｌｔ ｄ ｂ ｎｄ ｒ ｓｓ ａ ｃ ｄｅ ｅ ｏ ｂｉ ｌａ ｅ ｃ ｃ ａ ｅ ｙ ａ ｑｕａ ｉｆｅ ｌｃ ｒ ｏ １ Ｔｈｅ ｒ ｓ ｔｉ ｃ ｅ ｈａ ｓ— ｒ ｅ ｅｅ ｔｏｎ ｍ ｄｅ ． ｅ ｕｌ ｎｄｉａｔ ｓｔ ｔ ｔ ｕｎ ｌｎ ａ ｎｅ ｏ ｃ ｄｕｃａｎ ｅ ａ ｕｎ ｌｎ ａ ｈｅ ｔ ｎｅｉ ｇ ｍ ｇ ｔ ｏｎ ｔ ｃ ｎｄ ｔ ｎｅ ｉｇ ｍ ｇｎｅ ｏ ｒ ｓｓｔｎｃ ｖｅｔ ｌ ｓ ｅａ ｉ ｎｓ ｐ ｔ ｈｅａ ｔ ｅ ｉ ａ ｅｈａ ｈｅｃ ｏ ｅ ｒ ｌｔｏ ｈｉ Ｏ ｔ ｎｇｌ ｆ ｅｏ ｍ ｏｌｃ ｌ ｒｆｅｄ ｉ ａｇ ｔｃ ｍ ｅ ａ ｌ ｃ ｒ ｄｅ ｅ ｕ ａ ｉ ｌ ｎ ｍ ｎｅ ｉ ｔ ｌｅ ｅ ｔｏ ．
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文 章 编 号 ：１ ０ — ３ ３ ２ １ ） ３０ ３ — ５ ０ ４４ ５ （ ０ ０ ０ － ２ ９０
铁 磁 一 导 体 一 磁 隧 道 结 中 的 隧 穿 磁 电 阻 半 铁
梁 万 秋 ， 郭振 平
（延 边 大 学 理 学 院 物理 系 ， 林 延 吉 １ ３ ０ 吉 ３ ０ ２）
Ｆｅ ｒ ｍ ａ ｎ ｔＳ ｍ ｉ ｏ ｕ ｔ ｒ Ｆｅ ｒ ｍ ａ ｎ ｔＳ ｓ ｅ ｒｏ ｇ ｅ － ｅ ｃ ｎｄ ｃ ｏ － ｒ ｏ － ｇ ｅ ｙ ｔ ｍ
ＬＩ Ｎ Ｇ ａ — ｉ Ｇ Ｕ ｏ Ａ Ｗ ｎ ｑ ｕ。 Ｚｈｅ — ｉ ｎ ｐ ｎｇ
（Ｄｅ ａ ｔ ｎ ｆ ｙ ｉｓ ｏ ｌｇ ｆ ｃｅ ｃｓ ｐ ｒｍｅ ｔ Ｐｈ ｓｃ ，Ｃ ｌｅ ｅｏ Ｓ ｉｎ ｅ ，Ｙａ ｂａ ｉｅ ｓｔ ｏ ｎ ｉｎ Ｕｎ ｖ ｒｉｙ，Ｙ ｎ ｉ１ ３ ０ ａ ｊ ３ ０ ２，Ｃｈ ｎ ｉａ）
０ 引言
磁 电阻效 应是 指在 材料 中 电阻率 随外 加磁场 的变化 而 变化 的现象 ． 由于 磁 电 阻效 应 能把 外 磁场 信 号转 化为 电信 号 ， 以在 磁读 写 、 所 磁存储 和磁性传 感 器件 等 领域 有 广 泛 的应 用． ２ 近 ｏ年来 ， 多 科学 家 许
对磁 电阻效应 进行 了大 量 的研 究 ｌ ］ 不仅 推 动 了磁 电子学 和 白旋 电子 学 的 建立 及 快 速发 展 ， 极大 地 ＿ ， ｌ 也 促进 了与 自旋 极化 电子输 运相 关 的磁 电阻材 料 和新 型 自旋 电子 学器 件 的研究 ［ ． ６ 。