（凝聚态物理专业论文）制备态cofemn双层膜的交换偏置及共溅射fecr合金薄膜的磁性.pdf

摘要 摘要 人们对铁磁反铁磁( f m a f m ) 双层膜的交换偏置进行了大量的理论和实 验研究。但是由于交换偏置的基本特征与材料、厚度、结构、温度、生长顺序、 工艺条件等多个因素有关，至今仍有很多不清楚的方面。 首先，在大多数有关f m a f m 双层膜的实验研究中，交换偏置是通过场冷 的方式建立的。而在自旋阀巨磁电阻( g m r ) 和磁性隧道结( m t j ) 器件中， 交换偏置是通过施加诱导场的方式建立的。人们对制备态f m a f m 双层膜的交 换偏置缺乏了解。对制备态f m a f m 双层膜来说，交换偏置场和矫顽力的增强 比场冷后的相应值小的多，因此相应铁磁单层膜的磁性不容忽视。 其次，前人曾研究过铁磁层磁化强度对交换偏置的影响，并发现交换耦合能 随着铁磁层磁化强度的增加而增加。但存在的问题是：不同的铁磁金属及其 合金具有不同的磁化强度和晶格常数，磁化强度和晶格常数对交换偏置的影响难 以区分。例如：对f e 、c o 、m 。凡5 0 、p y 和n i ，虽然磁化强度从左到右依次减 小，但是它们的晶格常数并不相同；磁化强度的变化范围太小，很难给出交 换耦合能和铁磁层磁化强度之间的准确的定量关系。例如：c o 。f 。合金的磁化 强度可以随着成分的变化而变化，但是c o 和n i 不能在很大的成分范围内形成 合金。因此，如果能控制晶格常数几乎不变，而磁化强度在很大范围内随成分单 调变化，就可以更好地研究磁化强度对交换偏置的影响。 为了更清楚地理解交换偏置的机理，本论文开展了两方面的工作：一是制各 态c o f e m n 双层膜的交换偏置以及c o 单层膜的磁性；二是共溅射f e 。c ，。合金 薄膜的磁性。 一、制备态c o f e m n 双层膜的交换偏置以及c o 单层膜的磁性 用直流( d c ) 和射频( r f ) 磁控溅射方法制各了c o f e m n 双层膜以及c o 、 c o n i 单层膜。用x 射线对样品的微结构进行了表征。用振动样品磁强计( v s m ) 和铁磁共振( f m r ) 研究了样品的磁性。 对c o 和c o n i 单层膜来说，矫顽力是1 ，r 。的线性函数。通过分析室温下外 加磁场在面内不同方向时测得的磁滞回线，矫顽力随角度的变化规律不能用一致 转动模型来解释。 摘要 制各态c o n e m n 双层膜的交换偏置具有以下的性质：首先，日。和。正比 于1 t 。，然而制备态c o f e m n 双层膜的h e 和h ，比场冷后样品的h 。和日。，小的 多；其次，h 。、h ，和日。，对角度的依赖关系和场冷后样品的结果类似。最后， 各向同性铁磁共振场的移动日。正比于1 r 。制备态c o ，f e m n 双层膜的以上三 个特征和场冷后f m a f m 双层膜样品的结果类似。但是对制备态样品来说，沿 易轴方向的矫顽力比单轴各向异性场大很多。因此磁化反转过程不能用一致转动 模型来解释。 对制备态c o f e m n 双层膜交换偏霓的研究有助于进一步理解交换偏置的机 理，并对器件的优化有一定的指导意义。 二、共溅射f e 。c 合金薄膜的磁性 分别用两种方法制备了f e ，c r , 合金薄膜。第一种方法：在c r 靶上均匀得 放置若干f e 片，在很高的氩气压下让c r 靶和f e 片同时起辉而获得f e 。一。c q 合 金薄膜。第二种方法：在低气压下，利用f e 靶和c r 靶的共溅射来制各f e 一。d ， 合金薄膜。其中，f e 靶是垂直靶，c r 靶是和f e 靶相邻的一个斜靶。室温下用 v s m 测量了以上样品的磁性。 对第一种方法制备的f e 。( 以合金薄膜，面内的磁滞回线是斜的，并且具有 很大的饱和场。对第二种方法制备的f e 。c q 合金薄膜，面内磁滞回线具有很高 的矩形比。为此，本论文中的f e 。c t 合金薄膜均采用第二种方法来制备。 在3e m * 5 1e m 的玻璃衬底上制备了f e 、c r 及f e h c r + 合金薄膜。f e 单层 膜厚度均匀，而c r 单层膜和f e 。c 合金薄膜是很好的厚度楔形。沿楔形方向， 成分和磁化强度在很宽的范围内单调变化而矫顽力在楔形的中间附近有一个最 大值。通过j 9 1 4 量面内铁磁共振谱，发现不同成分比的样品均具有很好的单轴各向 异性。 关键词：制备态；共溅射：矫顽力：交换偏置；铁磁共振 中图分类号：0 4 6 9 儿 a b s t r a c t a b s t r a c t a l t h o u g hal o to ft h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d i e sa b o u te x c h a n g eb i a sh a v e b e e nc a r r i e do u t ，m a n ya s p e c t sa r es t i l lu n c l e a r , b e c a u s et h ep r o p e r t i e so fe x c h a n g e b i a sa r er e l a t e dt om a n yf a c t o r s ，s u c ha sm a t e r i a l ，t h i c k n e s s ，s t r u c t u r e ，t e m p e r a t u r e ， g r o w t ho r d e r ，a n dp r e p a r a t i o nc o n d i t i o n s f i r s t ，i nm o s te x p e r i m e n t a ls t u d i e sa b o u tf e r r o m a g n e t ( f m ) a n t i f e r r o m a g n e t ( a f m ) b i l a y e r s ，f o rs i m p l i c i t ye x c h a n g eb i a s i se s t a b l i s h e db yam a g n e t i cf i e l d c o o l i n g ( f c ) p r o c e d u r e i ns p i nv a l v eg i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c e ( g m r ) a n dm a g n e t i c t u n n e l i n gj u n c t i o n ( m t j ) d e v i c e s ，h o w e v e r , i ti su s u a l l ye s t a b l i s h e db yad e p o s i t i o n ( m a g n e t i c ) f i e l d t h ee x c h a n g eb i a so fa s - p r e p a r e df m a f mb i l a y e r sh a sb e e nl e s s w e l lu n d e r s t o o d ，i nc o m p a r i s o nt op o s t - f co n e s f o ra s p r e p a r e df m a f mb i l a y e r s ， t h ee x c h a n g ef i e l da n dt h ec o e r c i v i t ye n h a n c e m e n ta r es m a l l e rt h a nt h o s eo fp o s t - f c o n e s i nt h i sc a s e ，t h ep r o p e r t i e so fc o r r e s p o n d i n gs i n g l ef e r r o m a g n e t i cl a y e rf i l m s c a n n o tb ei g n o r e d s e c o n d l y , t h ee f f e c to fm a g n e t i z a t i o no ne x c h a n g eb i a sh a sb e e ni n v e s t i g a t e db y o t h e r s i ti sf o u n dt h a tt h ee x c h a n g ec o u p l i n ge n e r g yi n c r e a s e sw i t ht h em a g n e t i z a t i o n o ft h ef e r r o m a g n e t i cl a y e r b u tt h er e s u l t sa r eu n s a t i s f a c t o r y a sw e l lk n o w n ，t h e e x c h a n g ec o u p l i n ge n e r g yi sr e l a t e dn o to n l yt ot h em a g n e t i z a t i o no ft h ef e r r o m a g n e t ( f m ) l a y e r sb u ta l s ot ot h em i c r o s t r u c t u r el i k el a t t i c ec o n s t a n t 。a l t h o u g hd i f f e r e n tf m e l e m e n t sa n da l l o y sn o to n l yh a v ed i f f e r e n tm a g n e t i z a t i o na n db u ta l s oh a v ed i f f e r e n t l a t t i c ec o n s t a n t ，t h i sw i l lm a k ei td i f f i c u l tt od i s t i n g u i s ht h ee f f e c to f t h em a g n e t i z a t i o n f r o mt h a to f t h el a t t i c ec o n s t a n t f o re x a m p l e ，a l t h o u g ht h em a g n e t i z a t i o nd e c r e a s e si n t h eo r d e ro f f e ，c o ，i v 5 0 f e s o ，p y ，a n dn i ，t h el a t t i c ec o n s t a n ti sd i f f e r e n ta m o n g t h e m m o r e o v e r , e v e ni ft h ed e p e h d e n c eo ft h ee x c h a n g eb i a so nt h em a g n e t i z a t i o ni s m e a s u r e di nas m a l lm a g n e t i z a t i o nr a n g e ，aw e l ld e f i n e dq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ee x c h a n g ec o u p l i n ge n e r g ya n dt h ef mm a g n e t i z a t i o ni sh a r dt ob e o b t a i n e d f o re x a m p l e ，t h em a g n e t i z a t i o no fc o l 。n ia l l o yf i l m sc a nc h a n g e m o n o t o n o u s l yo n l y w i t h i nas m a l l c o m p o s i t i o nr a n g e a p p a r e n t l y , i ft h e m a g n e t i z a t i o nc a nc h a n g em o n o t o n o u s l yw i mc o m p o s i t i o ni naw i d er a n g e b u tn o l a t t i c ec o n s t a n tc h a n g i n g ，t h ei n f l u e n c eo f m a g n e t i z a t i o no ne x c h a n g eb i a sc a nb e 1 1 i a b s t r a c t i n v e s t i g a t e dm o r ep r e c i s e l y t h e r e f o r e ，e x p l o r a t i o no f t h i sk i n dm a g n e t i ca l l o yf i l m si s e n c o u r a g e d t w os u b j e c t sw e r ec a r r i e do u ti n t h i st h e s i s f i r s t ，t h e e x c h a n g eb i a s i n a s - p r e p a r e dc o f e m nb i l a y e r sa n dm a g n e t i cp r o p e r t i e so fc os i n g l el a y e rf i l m sw e r e s t u d i e d s e c o n d l y , t h em a g n e t i cp r o p e r t i e so f r e l 一，c 0 t h i nf i l m sp r e p a r e db y c o s p u t t e r i n gw e r es t u d i e d 1 e x c h a n g eb i a s i n gi na s - p r e p a r e dc o f e m nb i l a y e r sa n dm a g n e t i cp r o p e r t i e s o fc os i n g j el a y e rf i l m s t h ec o f e m nb i l a y e ra n dc o ，c o n is i n g l el a y e rf i l m sw e r ep r e p a r e db ym e a n s o fd ca n dr fm a g n e t r o ns p u t t e r i n g m i c r o s t r u c t u r e so ft h es a m p l e sw e r ea n a l y z e db y x - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) v i b r a t i n gs a m p l em a g n e t o m e t e r ( v s m ) a n df e r r o m a g n e t i c r e s o n a n c e ( f m r ) m e a s u r e m e n t sw e r ec a r r i e d o u tt o i n v e s t i g a t e t h e m a g n e t i c p r o p e r c i e so f t h es a m p l e s f o ra s p r e p a r e dc oa n dc o n is i n g l el a y e rf i l m s ，t h ec o e r c i v i t yi sal i n e a r f u n c t i o no ft h ei n v e r s el a y e rt h i c k n e s s b ya n a l y z i n gt h ei n p l a n eh y s t e r e s i sl o o p s a l o n gd i f f e r e n to r i e n t a t i o no fe x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d ，a na n g u l a rd e p e n d e n c eo ft h e c o e m i v i t yw i t haf o u r f o l d - l i k es y m m e t r yi sf o u n df o rt h ei n - p l a n ec o e r c i v i t y , a l t h o u g h o n l yau n i a x i a la n i s o t r o p yi ss h o w nb yf m rs p e c t r a s i n c et h ec o e r c i v i t ya n du n i a x i a l a n i s o t r o p i cf i l e dh a v ed i f f e r e n td e p e n d e n c eo nt h et h i c k n e s so fm a g n e t i cl a y e r , t h e m a g n e t i z a t i o nr e v e r s a lp r o c e s sc a n th ee x p l a i n e db yc o h e r e n tr o t a t i o nm o d e li nc o a n dc o n i s i n g l el a y e rf i l m s t h ee x c h a n g e b i a s i n g i n a s - p r e p a r e d c o f e m nb i l a y e r sh a sf o l l o w i n g c h a r a c t e r i s t i c s f i r s t ，t h ee x c h a n g ef i e l dh ea n dt h eh ce n h a n c e m e n ta r ep r o p o r t i o n a l t ot h ei n v e r s ec ol a y e rt h i c k n e s s s e c o n d l y ，t h ea n g u l a rd e p e n d e n c eo fh z ，h c ，a n d h m si ss i m i l a rt ot h er e p o r t e dr e s u l t so fp o s t f co n e s t h i r d l y ，n e g a t i v eh j s oi sf o u n d t ob eal i n e a rf u n c t i o no ft h ei n v e r s ec ol a y e rt h i c k n e s s a b o v et h r e ef e a t u r e sa r e s i m i l a rt ot h o s eo fp o s t - f cf m a f mb i l a y e r s ，h o w e v e r , d i s t i n g u i s h e df e a t u r e sa r e a l s of o u n d ：( 1 ) h ea n dh co ft h ea s - p r e p a r e ds a m p l e sa r es m a l l e rt h a nt h o s eo f p o s t - f cs a m p l e s ( 2 ) f o ra s - p r e p a r e dc o f e m nb i l a y e r s ，t h eh ci sm u c hl a r g e rt h a n t h eu n i a x i a l a n i s o t r o p i cf i e l d t h e r e f o r e ，t h em a g n e t i z a t i o nr e v e r s a lp r o c e s so f a s p r e p a r e dc o f e m ub i l a y e r sc a n n o tb ed e s c r i b e db yc o h e r e n tr o t a t i o nm o d e l a b s t r a c t t h ep r e s e n tw o r ka b o u tt h ea s - p r e p a r e df m a f mb i l a y e r sm i g h tb eh e l p f u lt o f a b r i c a t i o n so f t h eg m ra n dm t jd e v i c e s 2 。t h em a g n e t i cp r o p e r t i e so ff e h c 0a l l o yf i l m sp r e p a r e db yc o - s p u t t e r i n g t w of a b r i c a t i o nm e t h o d sw e r eu s e dt op r e p a r ef e h c 0 a l l o yf i l m sa n dt h e m a g n e t i cp r o p e r t i e so f t h es a m p l e sw e r ei n v e s t i g a t e db yv s m a sf o rt h ef i r s tm e t h o d ， f e - c ra l l o yf i l m sw e r ed e p o s i t e df r o mac o m p o s i t et a r g e t f o rw h i c hs m a l lp i e c e so f f ew e r ep u to n t oac rt a r g e t ah i g ha rp r e s s u r ew a sr e q u i r e dt oh a v ep l a s m a a sf o r t h es e c o n dm e t h o d ，f e h c ta l l o yf i l m sw e r ep r e p a r e db yc o s p u t t e r i n gf r o mf ea n d c rt a r g e t sw i t hl o wa rp r e s s u r e t h ei r o na n dc h r o m i u mt a r g e t sa r el o c a t e d h o r i z o n t a l l ya n do b l i q u e l y , r e s p e c t i v e l y f o rt h ef e - c rf i l m sp r e p a r e db yt h ef i r s t m e t h o d ，t h ei n p l a n eh y s t e r e s i sl o o p sa r es l a n t e dw i t hal a r g es a t u r a t i o nf i e l da ta l l o r i e n t a t i o n s f o rt h es e c o n dm e t h o d ，h y s t e r e s i sl o o p sa r es q u a r e d t h e r e f o r e ，t h e s e c o n dm e t h o dw a sa d o p t e di nt h i st h e s i s f e ，c r , a n df e h c r , a l l o y f i l m s w e r ep r e p a r e do n t os u b s t r a t e so f ( 1c m $ 5 1c m ) g l a s s t h et h i c k n e s so ft h ef ef i l mi su n i f o r mw h i l ec ra n df e h 吼a l l o yf i l m sa r eo f g o o dw e 趣e so ft h i c k n e s s a l o n gt h ew e d g ed i r e c t i o n ，t h ec o m p o s i t i o na n dm a g n e t i c m o m e n to ff e c ra l l o yf i l m sc h a n g em o n o t o n o u s l yw i t ht h es a m p l i n gl o c a t i o n ，w h i l e t h ec o e r c i v i t yh a sam a x i m u mn e a rt h ec e n t e ro ft h ew e d g e ，t h em a g n e t i z a t i o n c h a n g e sm o n o t o n o u s l y w i t ht h e c o m p o s i t i o n t h ea n g u l a rd e p e n d e n c e o f f e r r o m a g n e t i cr e s o n a n c ef i e l ds h o w sag o o du n i a x i a la n i s o t r o p y k e y w o r d s ： a s - p r e p a r e d ；c o s p u t t e r i n g ；c o e r c i v i t y ；e x c h a n g eb i a s ； f e r r o m a g n e t i cr e s o n a n c e s u b j e e tc l a s s i f i c a t i o n ：0 4 6 9 v 第一章引言 第一章引言 本章将着重介绍一下与论文相关的几个基本概念和重要效应，包括自旋电子 学( 兴起和应用) ；巨磁电阻效应和磁隧道效应；铁磁反铁磁交换偏置( 基本 现象和物理图像) 。最后简单介绍一下本论文的内容。 1 1 自旋电子学 1 。1 。1 自旋电子学的兴起 以研究、控制和应用半导体中载流子( 电子和空穴) 的输运特性为主要内容 的微电子学是2 0 世纪人类最伟大的创造之一。它利用电场来控制电子的电荷转 移，并未考虑利用电子自旋这自由度的特性。因为在传统的半导体器件中，载 流子的特征长度可达几十纳米，远远大于自旋相关长度( s p i nc o r r e l a t i o nl e n g t h ) ， 电子经过这么长距离的传导后，自旋会经历千百次的翻转，没有任何自旋记忆的 残留。 近年来，由于纳米科技和大规模集成电路的发展，器件的物理尺度越来越小。 当电子自旋在纳米尺度下传导时，自旋方向大致可以维持，此时不能将电子单纯 地看作电荷的载体，自旋变成有用的物理量，并且在很多方面比电荷更优越，比 如数据处理快、能耗低、集成度高、稳定性好等 1 1 。于是，新现象、新器件应运 而生。例如，1 9 8 8 年在磁性多层膜中观察到的巨磁电阻( g m r ) 效应远高于一般磁 电阻效应 2 1 ；1 9 9 3 年在类钙钛矿结构中观察到的庞磁电阻( c m r ) 效应又远高于 g m r f 引，这些效应不但涉及磁学和电子学的重要问题，而且小型化和微型化的磁 记录读出磁头、随机存取存储器和传感器中获得重要应用。 1 9 9 5 年，为了纪念磁学和磁性材料会议( 简称m m m 会议或3 m 会议) 创办4 0 周年， p h y s i c st o d a y ) ) 特别出版了“磁电子学( m a g n e t o e l e c t r o n i c s ) 专辑”， 既是纪念物理和磁学界与电和电子学界这一长期的富有成效的联合学术活动，也 是介绍和倡导“磁电子学”这一新兴学科的兴起【4 】。 磁学和电子学互相联系，互相促进，并逐步结合出一门新兴交叉学科一磁 电子学。磁电子学又称为自旋电子学( s p i n e t e c t r o n i c s s p i n t r o n i c s ) ，它主要研究 第一章引言 纳米尺度内自旋极化电子的输运特性( 包括自旋极化、自旋散射、自旋驰豫和自 旋注入) ，并基于此而设计、开发新功能的电子器件 5 2 0 1 。 i i 2 自旋电子学的应用 自旋电子学是一个从物理发现到迅速实现器件产业化的最为成功的典范 ”。在过去的几年里，人们已经利用g m r 效应开发出一系列高灵敏度磁电子 器件并投入应用。在自动化传感器方面，将引发传感器的更新换代【2 扣2 4 】；在高 密度存储方面，巨磁电阻磁头已使计算机外存储器硬盘的容量取得突破性 的增长【2 ”6 】：在计算机内存方面，磁电阻随机存储器m r a m 将引起内存芯片的 革命 z ”。另外，人们还利用电子自旋设计出一些三端电子器件模型，以期望 设计出功能更强的新型磁电子器件。 1 1 2 1 磁记录读出磁头 计算机硬盘体积小、容量大、读写速度快、数据传送率高，至今仍是计算机 外存储器的首选装置。超高密度计算机硬盘的发展使每个记录单元的尺寸减小到 亚微米尺寸，传统的感应式磁头无法得到足够的信噪比。虽然用a m r ( a n i s o t r o p i c m a g n e t o r e s i s t a n c e ) 磁头提高了磁盘的储存密度和灵敏度，且读出信号不受记录 媒质运动速度的影响，但其弱小的a m r 磁电阻率和a m r 磁头固有的巴克豪森噪 音，是a m i t 磁头的重要不足。g m r 磁头以其大的磁电阻变化率，并克服了巴克豪 森噪音，大大地增加了磁头的灵敏度和可靠性，使高密度磁盘技术取得突破。在过 去的几年里，磁存储密度以每年6 0 的速度递增。在存储密度增加的同时，磁头的 尺寸却越来越小。 1 9 9 4 年，i b m 公司首先在硬盘中使用了自旋阀g m r 读出磁头，取得了每平 方英寸1 0 亿位( 1 g b i n 2 ) 的面密度世界记录。1 9 9 5 年，i b m 又宣布制成了3 g b m 2 的自旋阀g m r 读出磁头。其后世界记录一再打破。如今，硬盘的面密度可达1 0 2 g b i t i n 2 的量级， = l 1 9 5 6 年第一代硬盘的面密度( 1k b i t i n 2 ) 增长了千万倍。图1 1 显示了硬盘丽密度在过去几十年中的发展进程。磁头的更新换代促进了硬盘面密 度的快速增长。 第一章引言 图】1 硬盘面密度在过去几十年中的发展进程 1 9 8 8 年，b a i b i c h 在f e c r 多层膜中发现了巨磁电阻效应。在随后的几年中， 以p a r k i n 为杰出代表的世界各物理学工作者先后在很多铁磁层( f e 、c o 、n i 及 其合金) 非磁性层( 3 d 、4 d 、及5 d 非磁金属) 磁性多层膜中发现了巨磁电阻效 应口”。但是，由于铁磁非磁多层膜的层间耦合作用太强，饱和磁场太高，难 以应用。出于应用的目的，人们在寻找低饱和场、单位磁场电阻变化率高的g m r 材料方面做了大量的工作。1 9 9 1 年，b d i e n y 根据多层膜巨磁电阻效应的物理机 制，提出了自旋阀结构口“。 目前的g m r 磁头主要是使用自旋阀结构【3 ”。图1 2 是自旋阀读出磁头的原 理示意图，自由层和钉扎层被非磁性金属层隔开，通过铁磁层和反铁磁层之间的 交换耦合，钉扎层的磁矩被固定在y 轴方向，自由层磁矩随信号场变化而反转。 自旋阀总的电阻变化可表示为：a r mc o s ( 8 , 一幺) ，其中鼠b 是自由层磁矩和 钉扎层磁矩之间的夹角，在如图所示的坐标系中，c o s ( 8 。一8 ，) = s i n 8 ，其中p 为 自由层磁矩与x 轴的夹角。如果自由层的难磁化轴沿y 轴方向，则有s i n 8o c h ， 而a r * s i n 口，所以有a 尺o c h ，即电阻的变化与磁场线性响应。 第一章引言 陶1 2 白旋阀读出磁头的原理示意图 1 ，i 2 2 磁随机存储器m r a m 目前广泛采用的r a m 是半导体动态存储器( d r a m ) 和静态存储器( s r a m ) 。 两者均为挥发性( 即机器断电时，所存数据全部丢失) ，并且抗辐射性能差，在 使用有所不便。为此，人们币在利用s p i nv a l v eg m r ，t m r 材料和半导体集成 技术研制新一代的计算机随机存储器芯片一磁随机存储器m r a m f 3 4 q 引。基本想 法是利用g m r 或者t m r 所作成的记忆元件，来替代d r a m 中的电容。其中记忆 元件是利用磁性材料的不同磁化状态来存储信息的，同时也通过g m r 或t m r 效 应来读出信息。 理想的m r a m 具有非挥发性、读写速度快、容量大、寿命长、抗辐射等优点， 综合性能明显优于其他类型的存储器( 如f l a s h 、s r a m 和d r a m ) 。不仅可以作 为非挥发性随机存储器应用于计算机的c m o s ，甚至完全有能力替代计算机主流 内存d r a m 。并增添非挥发性的功能。此外，由于优良的抗辐射性能，m r a m 在航空、航天、高能物理以及国防建设方面具有广阔的应用前景。 h o n e y w e l l 公司是第一家利用g m r 材料做存储器芯片的公司。利用g m r 元件 阵列获得的r a m ，它的速度和存储密度可与半导体r a m 相比拟。但它是非挥发性 的。另外，利用磁隧道效应，也能制成非挥发性m r a m 。i b m 公司是最先采用这 4 第一章引言 种办法的公司。这种m r a m q - 作原理与白旋阀结构类似。但隧道器件的电流与 膜面垂直，而在g m rr a m 中，电流与膜面平行。 图1 3 是g m rr a m 的阵列结构。它是一系列由自旋阀结构组成的基本 m r a m 单元按如图所示的方式排列而成的。彼此绝缘的字线( w o r dl i n e ) 和位线 ( b i tl i n e ) 在每个g m r 信息存储单元交会。当选定单元( s e l e c t e dc e l l ) 上的字线 和位线流过电流脉冲( ，。和，) 时，电流脉冲产生的磁场会改变选中单元的磁 化状态。m r a m 就是利用磁性材料的不同磁化状态来存储信息“0 ”或“l ”的。 当没有电流脉冲通过，即没有外磁场的影响时，所存的信息“o ”或“l ”不会改 变，因此所存信息是非易失性的。 圈1 3g m r r a m 阵列结构 g m r r a m 的重写过程如图1 4 所示：( 1 ) 假设元件开始时处于“1 ”状态， 此时两铁磁层的磁化方向相反，。= 1 ，= 0 ，h = 0 ；( 2 ) 当电流脉冲，流过时， 导线周围将产生环绕磁场，按右手螺旋法则，在导线下方产生如图所示的磁场。 在磁场作用下，自由层( f r e el a y e r ) 的磁矩发生偏转。但是单个的电流脉冲并不 能完成磁矩的1 8 0 。反转。( 3 ) 接着施加电流脉冲，。使磁矩完成下半周期的反 转。( 4 ) 电流脉冲消失后，自由层的磁矩发生了1 8 0 。反转，此时两铁磁层的磁化 方向相同，元件处于“0 ”状态，并且会保持这个状态直到被再次改写为止。 读取时，电流流经m r a m 元件的两个铁磁层和非磁性层。如果原来m r a m 处于“0 ”状态，则两磁性层的磁化方向平行，元件表现为低阻状态，端电压较 低。同样，如果原来m r a m 处于“l ”状态，由于两铁磁层的磁化方向反平行， 元件表现为高阻状态，端电压较高。这就是m r a m 的读出过程。 第一章引言 ( 1 ) h = 0 ，。= ，= o h = 0 ( 2 ) 月= h ，m j 。； e a s ya x l = x f r e el a y e r h 2 h k 胁d ( 3 ) h = h y 。# n + h ，抽耐； h = h y ， + 升x ，h a d 融y x i x l a y e r 6 uj呻lx毋卫芷 博lx雌罄z 鼍它星 第一章引言 ( 4 ) h = 0 e a s y 柏x 1 1 2 3 磁传感器 h - - 0 y n 爱 日 t 空 图1 4g m r r a m 的重写过程 磁传感器主要用来检测磁场的存在、强弱、方向和变化等。磁传感器的品种 很多，如感应线圈、磁通门、霍尔效应器件、超导量子干涉以及磁电阻等。 磁电阻传感器是其中的一类。在g m r 传感器以前，人们使用的磁电阻传感器 主要是利用a m r 效应材料。a m r 材料制成的传感器，具有体积小、灵敏度高、阻 抗低、抗恶劣环境、价格低廉等优点。但由于a m r 磁电阻率变化低，在检测微 弱磁场时受到限制。利用g m r 效应的传感器继承了a m r 传感器的优点，并且， 由于g m r 磁电阻变化率高，使它能传感微弱磁场，扩大了磁电阻传感器的测量范 围和应用面，呈现出广阔的应用前景。 当今在家用电器、汽车和自动控制方面涉及到的角度、转速、加速度、位移 等物理量均可以利用g m r 磁传感器制成的高灵敏度、高分辨率的磁传感器件来 控制。如g m r 位移传感器、g m r 转速传感器、g m r 生物传蒋器等。 1 1 2 4 磁三端器件 1 9 9 3 年j o h n s o n 提出了由一个铁磁金属发射极、一个厚度小于自旋扩散长度 的非磁性金属基极和另一个铁磁金属接收极组成的具有双极性开关特性的三明 治结构 3 7 3 8 l 。它具有金属构成的基极、发射极和集电极三端，并且通过外磁场 设雹发射极和接收极的磁化方向而设置其开关状态，所以称为全金属自旋三极 第一章引言 管。此后，人们又利用巨磁电阻效应和半导体组合而成了自旋阀晶体管。 图1 ，5 是自旋阀晶体管的原理示意图h 9 - 4 叭。发射极和集电极都是s i 晶片。基极 为多层膜，如( c o c u ) 。当电子由发射极进入多层膜时，如果多层膜的c o 层相互 间是反平行的，垂直磁电阻是高阻态，电子将从基极返回电源。如果外加磁场使 c o 层由反铁磁耦合变为铁磁耦合，多层膜为低阻态，电子将通过基极进入接收极 返回电源。通过选择不同的材料，以及多层膜的厚度和周期数，可以设计所要求的 自旋阀晶体管。将k 。作为信号输入，t 作为输出，便具有开关或放大效应。 图1 5自旋阀晶体管的原理示意图 1 2 巨磁电阻效应和磁隧道效应 如果两个铁磁金属层被一个非磁性层隔开，电子的输运将依赖于两个铁磁层 磁化强度的相对取向。在平行和反平行两种状态下，这种三明治结构的电阻率存 在明显的差异。如果间隔层( s p a c e r l a y e r ) 是允许电子从中传导的金属，那么电 子的输运依赖于自旋相关散射，这就是巨磁电阻效应。如果间隔层是允许电子隧 穿的足够薄的绝缘材料，那么电子的输运依赖于自旋相关隧穿，这就是磁隧道效 应。 巨磁电阻效应和磁隧道效应的起点都是自旋极化，即铁磁金属能带的交换劈 裂。众所周知，在铁磁金属中，电子的能带分为两个子带，自旋向上子带和自旋 向下子带。由于3 d 电子的交换作用，这两个形状几乎相同的子带在能量上有一 个位移，即通常所说的交换劈裂。图1 5 是正常金属和铁磁金属的能带密度示意 图，图1 7 是f e 、c o 、n i 、c u 的自旋极化态密度。可以看到，能量上的差别使 得两个子带的占据情况并不相同。自旋向上的3 df 子带( 多数自旋) 低于费米能 第一章引言 级，将全部或绝大部分被电子占据，而自旋向下的3 di 子带( 少数自旋) 仅部分 被电子占据。在费米面处，自旋向上与自旋向下的电子态密度也是不同的。这样， 在铁磁金属中，参与输运的两种取向的电子在数量上是不等的，所以传导电流是 自旋极化的。 n o 黼艇 f e r r 嗍n 斟虹 图1 6 正常金属和铁磁金属的能带密度示意图 3 涮j ； n e t g v 【e v j 图1 7 f e 、c o 、n i 、c u 的自旋极化态密度 第一章引言 图1 8 ( a ) 是这两种现象的简单概况。图k 8 ( b ) r ：# z 属g m r 系统( 如c o c u c o ) 在低阻和高阻两种状态下的能带结构。将金属间隔层( 如c u ) 的能带换成势垒， 图k 8 ( b ) 就变成了t m r 体系的能带结构。 h 螗hr e s i s t a n c e 图1 8 ( a ) g m r 汞i t m r 器f ：中电子输运的共性 ( b ) 金属g m r 系统的能带结构 g m r 效应来源于自旋相关散射。如图1 8 ( b ) ，由于铁磁金属中的自旋极化， 对自旋向上