磁隧道结

在两块铁磁薄片之间夹一层厚度约为0.1nm的极薄绝缘层，构成所谓的结元件

磁隧道结是指在两块铁磁薄片之间夹一层厚度约为0.1nm的极薄绝缘层，构成所谓的结元件。在铁磁材料中，由于量子力学交换作用，铁磁金属的 3d轨道局域电子能带发生劈裂，使费米(Fermi)面附近自旋向上和向下的电子具有不同的能态密度。在 MTJs中，TMR效应的产生机理是自旋相关的隧穿效应。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。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。

相关概念

量子隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。按经典理论，粒子为了脱离此能量的势垒，必须从势垒的顶部越过。但由于量子力学中的量子不确定性，时间和能量为一组共轭量。在很短的时间中（即时间很确定），能量可以很不确定，从而使一个粒子看起来像是从“隧道”中穿过了势垒。

历史

早在1975年,Julliere就在Co/Ge/Fe磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junctions，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。

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。

基本特征

(1) 低结电压下，隧道电流随电压线性变化 ; 高结电压下 , 隧道电流的变化比线性规律快。

(2) 室温下 , 磁隧道结的磁电阻约在百分之几到40%之间, 并随结电压的升高而降低 . 当温度从室温降到77或 4.2K时 , 磁电阻值显著增大。

(3) 依赖于制备技术 , 磁隧道结的结电阻的变化范围很大 , 可以〖10〗^2 μΩ·cm以下〖10〗^7 μΩ·cm以上. *(4) 磁隧道结两个铁磁层之间的祸合场很小, 比具有相同铁磁层厚度的铁磁金属一非磁金属一铁磁金属三明治结构的藕合场低一个量级。

与磁性多层膜和颗粒膜相比较, 磁隧道结的最大优点是其可控的高结电阻(低功率损耗)、饱和场以及相对较高的场灵敏度。

效应

在两块铁磁薄片之间夹一层厚度约为0.1nm的极薄绝缘层，构成所谓的结元件。在铁磁材料中，由于量子力学交换作用，铁磁金属的 3d轨道局域电子能带发生劈裂，使费米(Fermi)面附近自旋向上和向下的电子具有不同的能态密度。在 MTJs中，TMR效应的产生机理是自旋相关的隧穿效应。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。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。

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。

制备

实验上 , 制备隧道结的困难是 :

1、要求氧化物势垒均匀致密 , 无针孔等缺陷 , 并且足够薄（1.0~2.0nm）, 使电子能够隧穿。

2、避免磁性金属层的表面污染和氧化 , 隧道结的特性所反映的应是磁性金属层的内在性质而非表面层性质。这两个问题只能通过严格控制制备条件来解决。

最常用的绝缘势垒层是。其他材料如 MgO等也有报道，但在室温下均未观察到显著的磁电阻效应。绝缘层可以直接沉积在磁性金属层上，或先沉积相应的金属层 (如Al) , 然后进行等离子体原位氧或在空气中自然氧化。利用不同技术制备的隧道结的电阻率差别很大。

为了使两个铁磁层的磁化强度能够平行或反平行排列 , 可以采用如下方法 : (1)沉积钉扎层；(2)沉积 MnFe等反铁磁藕合层；(3)两个铁磁层分别选用矫顽力不同的材料 , 如 CoFe和 NiFe；(4)通过控制制备条件使铁磁层具有不同的矫顽力。

测量

测量隧道结的输运特性需采用电流垂直膜面 (CPP)方式。因此隧道结的制备常采用两种特别技术 , 一是光刻，另一种是原位掩膜。光刻的优点是结的数目和尺寸比较容易控制 , 但制备过程较复杂。

应用与展望

由于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。

但就用于计算机读磁头来说，要想使MTJs型的TMR读磁头在读取速率和噪声两方面均优于当前的自旋阀型GMR读磁头， MTJs的RA值则应低于4Ωμm。所能获得的最佳PSV型MTJs的RA值比这一数值仍然高出2个数量级。

研究与开发室温TMR值高、热稳定性好、RA值低、成本低的TMR材料将是今后磁电阻材料领域工作的重点和关键，其中低RA值的PSV型MTJs材料的研究和开发有望成为实现这一目标的突破口。

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