1857年英國物理學(xué)家William Thomson[1]發(fā)現(xiàn)磁電阻效應(yīng)，但因其變化率不足千分之三而未能引起足夠的重視 1988年P(guān)eter Grunberg[2]和Albert Fert[3]各自獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了巨磁阻效應(yīng)(GMR效應(yīng))，F(xiàn)e/Cr/Fe三層膜和Fe/Cr多層膜系統(tǒng)的室溫磁電阻變化率達(dá)到1.5%，在4.2K的低溫下甚至達(dá)到50% 后來在顆粒膜[4,5]中也發(fā)現(xiàn)了GMR效應(yīng)，類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)[6]的稀土錳氧化物薄膜的室溫磁電阻變化率高達(dá)60%(龐磁電阻效應(yīng)，CMR效應(yīng))，還發(fā)現(xiàn)了隧道磁電阻效應(yīng)(TMR) [7,8,9,10,11,12] GMR效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，為現(xiàn)代電子行業(yè)開發(fā)和利用基于巨磁阻效應(yīng)的磁傳感器、磁頭、磁隨機(jī)存儲器等各類先進(jìn)的商業(yè)電子產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)

基于巨磁阻效應(yīng)，Dieny等在1991年提出了具有廣闊應(yīng)用前景的自旋閥結(jié)構(gòu)(SV)[13] 自旋閥的核心結(jié)構(gòu)是由雙層鐵磁層中間夾一層非磁性金屬層構(gòu)成的三明治結(jié)構(gòu)多層膜 任天令和劉理天等在實驗室條件下制備出線性度和靈敏度都較高的SV磁場傳感器[14,15,16]原型器件 本文研究自旋閥多層膜的研制和磁學(xué)、電學(xué)特性，并系統(tǒng)闡述多層膜中磁化翻轉(zhuǎn)場的調(diào)控機(jī)制與磁電阻特性之間的內(nèi)在聯(lián)系

1 實驗方法

實驗用自旋閥多層膜結(jié)構(gòu)包括Ta/CoFe/Fe/Au/Fe/IrMn/Ta和Ta/CoFe1/Au/CoFe2/IrMn/Ta 使用2英寸表面熱氧化的SiO2/Si襯底，氧化層的厚度約為500 nm 濺射沉積前先充分清洗襯底，然后用氮?dú)鈽尨蹈珊筠D(zhuǎn)移到濺射腔中備用

實驗中使用的靶材有CoFe (99.95%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、Fe (99.99%)、IrMn (99.95%)、Ta (99.95%)和Au (99.99%)；工作氣體為高純氬氣(99.999%)，氣流量為20 sccm，濺射壓強(qiáng)約為0.5 Pa，靶基距為10 cm 濺射前先將本底抽真空到1×10-5 Pa以下，然后接通工作氣體 在濺射過程中通過改變每一種材料的濺射時間來控制各層薄膜的厚度，從而調(diào)控自旋閥多層膜的性能 典型的自旋閥多層膜樣品的制備參數(shù)，列于表1 為了引入?yún)⒖紙觯瑢悠贩湃胝婵沾判酝嘶馉t中進(jìn)行加磁場退火，退火溫度約280℃，保溫時間約30 min，自然冷卻

Table 1

表1

表1典型樣品的濺射工藝參數(shù)

Table 1Technologic parameters of the typical sample

No. of sample	Structure	Power/W	d / nm
I	Ta/CoFe/Fe/Au/Fe/IrMn/Ta	45	20/20/20/8/20/30/20
II	Ta/CoFe1/Au/CoFe2/IrMn/Ta	25	6/6/1.9~5.8/6/9/6
III	Ta/CoFe1/Au/CoFe2/IrMn/Ta	25	6/6/3.8/6/5.4~10.8/6
IV	Ta/CoFe1/Au/CoFe2/IrMn/Ta	25	6/3.6~8.4/3.8/8.4~3.6/9/6

用透射電子顯微鏡(TEM)觀測多層薄膜樣品的橫截面形貌；用四探針法[17]測量樣品的磁阻曲線；用振動樣品磁強(qiáng)計(VSM)測量樣品的面內(nèi)/面外磁滯回線

2 實驗結(jié)果2.1 樣品I的自旋閥結(jié)構(gòu)

圖1給出了樣品I的橫截面的TEM圖 由圖1可見，樣品I是典型的自旋閥多層膜結(jié)構(gòu)，由Ta/CoFe/Fe/Au/Fe/IrMn/Ta七層膜構(gòu)成，各膜層界限分明，邊緣清晰 除了襯底部分的SiO2層和為了進(jìn)行TEM測試而臨時噴濺的金屬Pt保護(hù)層，樣品I中各膜層的厚度分別為：釘扎層IrMn約30 nm，隔離層Au約為8 nm，其它各層包括Ta、CoFe、Fe等均約為20 nm

圖1



圖1樣品I的橫截面的TEM圖

Fig.1TEM cross section of sample I

2.2 隔離層(Au)對自旋閥MR的影響

磁電阻變化率(MR值)是自旋閥(SV)的重要參數(shù)之一，但是樣品I的Ta/CoFe/Fe/Au/Fe/IrMn/Ta的MR值卻很小(<1%) 為了便于研究，制備了Ta/CoFe1/Au/CoFe2/IrMn/Ta系列樣品以簡化多層膜中的功能層，并先調(diào)控隔離層Au的厚度 隔離層是SV中的關(guān)鍵，只有隔離層Au起到隔離自由層和被釘扎層的作用，才能降低磁性多層膜之間的交換耦合作用，使自由層的磁化翻轉(zhuǎn)不受被釘扎層的影響，從而得到較大的磁電阻變化率 圖2給出了樣品II系列Ta/CoFe1/Au(2~6 nm)/CoFe2/IrMn/Ta的MR值隨隔離層Au厚度變化的特性曲線

圖2



圖2不同Au層厚度對樣品II系列自旋閥磁電阻的影響

Fig.2MR% under different IrMn layer thickness for Sample II

樣品的MR值隨隔離層厚度的增大呈現(xiàn)阻尼振蕩衰減的趨勢，其根源在于隔離層的存在使得自由層和被釘扎層之間的交換耦合強(qiáng)度在幅值上呈現(xiàn)阻尼振蕩效應(yīng)[18] 太薄的隔離層，Au厚度小于2.6 nm，不利于其上被釘扎層晶格的形成，導(dǎo)致自由層與被釘扎層間耦合增強(qiáng)，不利于兩磁性層的先后翻轉(zhuǎn)，因此MR值較?。划?dāng)隔離層Au厚度為3.8 nm時，MR值達(dá)到最大值 Au隔離層厚度繼續(xù)增大達(dá)到4.5 nm時，MR值達(dá)到稍小的另一個極大值；Au層厚度繼續(xù)增大使Au層內(nèi)部的分流作用增大減弱反鐵磁耦合，導(dǎo)致MR值下降 這些結(jié)果表明，Au層濺射時間12 s(厚度約為3.8 nm)是最佳條件，因此后續(xù)樣品III和樣品IV都以此為標(biāo)準(zhǔn)

2.3 釘扎層(IrMn)對自旋閥MR的影響

釘扎層的作用是調(diào)控被釘扎層的磁化翻轉(zhuǎn)，使其磁化中心偏離原點，使被釘扎層與自由層磁化翻轉(zhuǎn)不同步，從而引入?yún)⒖紙觯{(diào)控磁電阻的變化過程 具有不同釘扎層厚度的樣品III系列[Ta(6 nm)/CoFe1(6 nm)/Au(3.8 nm)/CoFe2(6 nm)/IrMn (5.4~10.8 nm)/Ta(6 nm)]的磁滯回線和磁電阻特性曲線，如圖3所示 圖3a給出了樣品III系列的磁滯回線，每條磁滯回線都由兩個小回線組成，其中左下角的小回線是自由層(FL)CoFe1的磁滯回線，而右上角的小回線則是被釘扎層(PL)CoFe2的磁滯回線 由圖3a可知，雖然IrMn層厚度增加FL的磁滯回線基本上沒有太大的改變，可見隔離層Au確實起到了很好的隔離作用，使得自由層幾乎不受IrMn釘扎層厚度的影響 另一方面，隨著IrMn層厚度的增大PL的交換偏置場位置先右移再左移再右移，被釘扎層的矯頑力先減小后增大 當(dāng)IrMn層厚度為9 nm時樣品的交換偏置場最大，被釘扎層的矯頑力最小，性能最優(yōu) 對應(yīng)到圖3c中磁電阻值隨IrMn層厚度的變化中，當(dāng)IrMn層厚度為9 nm時樣品的MR值也最大，實現(xiàn)了磁滯回線與MR值變化之間的完美匹配

圖3



圖3樣品III系列自旋閥的磁滯回線和磁阻特性曲線

Fig.3Hysteresis loop under different IrMn layer thickness (a), hysteresis loop of irmn layer 12 nm (b), magnetic resistance characteristic curve under different irmn layer thickness (c) and magnetic resistance characteristic curve of IrMn layer 12 nm (d) of sample III

為了進(jìn)一步闡明SV多層膜中磁化翻轉(zhuǎn)與磁電阻變化過程的內(nèi)在聯(lián)系，從圖3a和c中提取出IrMn(9 nm)的測試曲線，并分別列于圖3b和3d中 無外加磁場時自由層與被釘扎層的磁化方向都在負(fù)方向上，此時自旋相關(guān)散射最弱，SV處于低阻狀態(tài)；隨著外加磁場的增強(qiáng)，當(dāng)正向場強(qiáng)超過自由層的矯頑力時自由層磁化方向發(fā)生翻轉(zhuǎn)，自旋相關(guān)散射逐步增強(qiáng)，SV逐步進(jìn)入高阻態(tài)；正向磁場繼續(xù)加大足以克服交換耦合強(qiáng)度和被釘扎層矯頑力時被釘扎層磁化方向發(fā)生翻轉(zhuǎn)，自旋相關(guān)散射逐步減弱，SV逐步進(jìn)入低阻態(tài) 在磁場逐步減弱的過程中，與正向磁場增大的過程正好相反 這種磁電阻變化過程跟隨磁化翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，就是SV的工作原理和典型特征

2.4 自由層(CoFe1)和被釘扎層(CoFe2)對自旋閥MR的影響

在SV的功能層中，除了隔離層和釘扎層，自由層和被釘扎層的相對厚度也影響SV的性能 樣品IV系列就是通過改變?yōu)R射時間調(diào)控了自由層和被釘扎層的相對厚度，其磁滯回線和磁電阻變化曲線如圖4所示 圖4a給出了樣品IV系列的磁滯回線 可以看出，一方面，隨著自由層與被釘扎層厚度的增加兩者的飽和磁化強(qiáng)度均增大；另一方面，自由層矯頑力大小隨著其厚度的增加而增大，被釘扎層矯頑力大小隨著其厚度的增加而減小 圖4b給出了樣品IV系列的磁電阻變化曲線，其磁電阻變化過程與圖4a中磁化翻轉(zhuǎn)過程匹配良好 可以看出，隨著自由層厚度的增加、被釘扎層厚度的減小，MR值呈現(xiàn)一個先增大后減小的趨勢 當(dāng)自由層與被釘扎層濺射時間均為50 s時自由層與被釘扎層厚度為6 nm，兩者的的飽和磁化強(qiáng)度相當(dāng)而MR值最大

圖4



圖4樣品IV系列自旋閥的磁滯回線和磁阻特性曲線

Fig.4Hysteresis loop under different CoFe1, CoFe2 layer thickness (a) and magnetic resistance characteristic curve under different CoFe1, CoFe2 layer thickness (b) of sample IV

總之，隨著自由層厚度的增加、被釘扎層厚度的減小，自由層與被釘扎層矯頑力均增大，兩者的飽和磁化強(qiáng)度之間的差異呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，樣品的MR值與兩者的飽和磁化強(qiáng)度的差值成反比，呈現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律

3 結(jié)論

(1) 對于自旋閥結(jié)構(gòu)(Ta/CoFe1/Au/CoFe2/IrMn/Ta)，Au隔離層的濺射時間為12 s時，厚度約3.8 nm，樣品磁電阻變化率最大 隨著Au隔離層濺射時間(厚度)的增加，樣品MR值呈現(xiàn)振蕩衰減的趨勢 改變?yōu)R射時間可實現(xiàn)對Au隔離層厚度的調(diào)控，實則是其隔離作用與分流作用之間的競爭關(guān)系的一個調(diào)控

(2) IrMn釘扎層的厚度為9 nm的樣品，具有最佳MR值 樣品的MR值隨著被釘扎層矯頑力的增大而增大，被釘扎層矯頑力最小的樣品，具有最高的MR值

(3) 自由層(CoFe1)、被釘扎層(CoFe2)的厚度為6 nm/6 nm時的樣品，其磁電阻變化率最大 自由層與被釘扎層厚度差異越小，兩者的飽和磁化強(qiáng)度差異越小，則MR值越高

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Magnetically engineered magnetic tunnel junctions (MTJs) show promise as non-volatile storage cells in high-performance solid-state magnetic random access memories (MRAM). The performance of these devices is currently limited by the modest (&amp;lt; approximately 70%) room-temperature tunnelling magnetoresistance (TMR) of technologically relevant MTJs. Much higher TMR values have been theoretically predicted for perfectly ordered (100) oriented single-crystalline Fe/MgO/Fe MTJs. Here we show that sputter-deposited polycrystalline MTJs grown on an amorphous underlayer, but with highly oriented (100) MgO tunnel barriers and CoFe electrodes, exhibit TMR values of up to approximately 220% at room temperature and approximately 300% at low temperatures. Consistent with these high TMR values, superconducting tunnelling spectroscopy experiments indicate that the tunnelling current has a very high spin polarization of approximately 85%, which rivals that previously observed only using half-metallic ferromagnets. Such high values of spin polarization and TMR in readily manufactureable and highly thermally stable devices (up to 400 degrees C) will accelerate the development of new families of spintronic devices.

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介紹智能電網(wǎng)中電流的傳感和量測技術(shù)發(fā)展的要求和新趨勢，闡述智能電網(wǎng)中各種電流傳感器的原理和特點，比較了傳統(tǒng)電磁式電流傳感器(如CT，羅氏線圈，霍爾)和幾種新型的電流傳感器(如光纖，巨磁電阻)的優(yōu)缺點 在分析智能電網(wǎng)的電流測量需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合巨磁電阻(giant magneto resistive，GMR)電流傳感器的研究內(nèi)容著重展望了GMR電流傳感器在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用前景 最后總結(jié)了GMR傳感器在智能電網(wǎng)測量應(yīng)用中的優(yōu)勢和不足，并針對這些不足，指出了后續(xù)研究的方向

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