[科普中国]-氧化镁磁隧道结

氧化镁磁隧道结是指以氧化镁为绝缘势垒层的磁隧道结。磁隧道结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。氧化镁磁隧道结巨大的磁电阻效应引起了人们越来越多的关注，对氧化镁磁隧道结磁电阻效应的研究也具有重大意义。

磁隧道结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。 在磁隧道结中，TMR（隧穿磁电阻）效应的产生机理是自旋相关的隧穿效应。磁隧道结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。

氧化镁磁隧道结简介氧化镁磁隧道结是指以氧化镁为绝缘势垒层的磁隧道结。

1995年以非晶三氧化二铝为绝缘势垒层，分别以多晶Fe或CoFe作为铁磁层，室温下TMR值约为20%。2004年以CoFeB作为铁磁电极层使得TMR值升至70%，2001年Butle等1通过ab inito理论计算，预测在Fe(001)/Mg0(001)/Fe(001)磁隧道结中通过相干隧穿TMR值可达1000%以上。2004年，Yuasa等2在分子束外延制每的Fe(001)/Mg0(001)/Fe(001)磁隧道结中得到了88%的TMR值。随后，Djayaprawira等3用磁控溅射法制备出CoFeB/Mg0/CoFeB磁隧道结，其TMR值大于200%，2007年Lee等4在磁控溅射CoFeB/Mg0/CoFeB的磁隧道结中得到高达500写的室温TMR值，5K时TMR值可达1010%，氧化镁磁隧道结因其巨大的磁电阻效应引起了人们越来越多的关注，对氧化镁磁隧道结磁电阻效应的研究无论是在理论上还是在实际应用中都具有重大意义。

微结构对磁电阻效应的影响通常，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。5

自由层厚度的影响利用自旋转移矩效应（STT）的磁随机存储器，结合了高读写速度、非易失性、高存储密度、长使用寿命等众多优点，因其可能成为新一代非易失性存储器而受到广泛关注。磁隧道结（MTJ）由于能够很好的与读写技术兼容，成为自旋转移矩磁存储器结构的强有力候选者。一个制约MTJ用于STT-VIRAM的主要问题是，在保证技术可行性的基础上如何降低所需要的翻转电流、提高磁矩翻转速度。对于MTJ，大的翻转电流会增加写入操作所需要的截面积，这会大大制约存储的密度。同时也会增加写入电压、能量损耗，对存储器件的承受度也提出更高的要求。

蒿建龙等6研究了在自由层厚度影响下的界而垂直各向异性和磁矩偏角，对水平CoFeB/MgO磁隧道结阂值翻转电流密度、翻转时间动态特性的作用。基于LLGS方程的宏自旋模型的模拟，结果显示，由于界而垂直各向异性随着自由层厚度的减小而增大，阂值翻转电流密度和翻转时间会明显的降低，当磁矩的偏角随厚度的减小而增大时，翻转的动态特性会有进一步优化，在阈值翻转电流密度和翻转时间上都有体现。6

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学