[科普中国]-自旋忆阻器

电子不仅有质量和电荷，还具有自旋属性。传统微电子学只是利用电子的电荷属性，在实际应用中主要考虑的是电子电荷在电场中的运动状态，而对于电子的自旋情况是不予考虑的。为进一步增强信息处理以及信息存储等方面应用，必须考虑到电子自旋，由此引入了一门新学科——自旋电子学。研究表明自旋电子学与传统电子学相比具有很大潜在优势:较快的信息处理速度、较大的信息存储密度以及集成密度、较低的能耗等等。自旋忆阻器就是基于自旋电子学制作的忆阻器。

忆阻器忆阻器是用来描述磁通量和电荷之间联系的一种新型电路元件。1971年，蔡少棠教授团队通过深刻探索研究对称性原理的基础上，历史上第一次预测提出了电路中应当存在一种新的元件用来表示磁通量与电荷之间的数学关系，即我们这里所提到的忆阻器。1

基本特性忆阻器作为一个基本的记忆电路元件，具有三大基本特性：

（1）当外接一个周期激励电压(电流)信号时，忆阻器v-i特性曲线是一条过零点，在原点紧缩的紧磁滞回线，呈现类“8”字形状，且整个曲线具有奇对称性：

（2）当外加激励信号频率逐渐增加到一个较大数值时，随着外加输入激励信号频率的增大，整个磁滞回线所围成的面积将会随之减小：

（3）当外加电信号频率趋向于无穷时，紧磁滞回线将会缩成一条直线，忆阻器的非线性消失，此时电阻为一个定值。这些是理想忆阻器的典型特征，也是其判断标准。

分类 在理想前提下，忆阻器模型可以分为电荷控制忆阻器和磁通量控制忆阻器两种类型。当忆阻器数学关系式由电荷的单值函数表示时，即 是q的单值函数，有 。类似于这种由电荷q决定忆阻值的忆阻器模型，称为电荷控制忆阻器，简称荷控忆阻器，也称为流控忆阻器。当数学关系式由磁通量的单值函数表示时，即q是 的单值函数，有 ，定义为忆导，这种由磁通量决定忆阻值的忆阻器模型，称为磁通量控制忆阻器，简称为磁控忆阻器，也称为压控忆阻器。

研究现状如图2所示，Pershin等人设计的自旋忆阻器是一个半导体/半电路结构。在两种材料的边界处存在的电子自旋现象与忆阻器联系一起所产生的现象。我们称为自旋阻塞效应。

在半金属以及半导体界面处，我们认为由半导体区域所具有的自旋方向相对于参考方向向上的电子与自旋方向相对于参考方向向下的电子进入半金属区域的概率不同。根据现有结论，在图3中的电路模型中，半导体层中只有自旋方向相对于参考方向向上的电子够进入到半导体层，而自旋方向相对于参考方向向下的电子则还处于半导体层中，此时在界面处两种自旋方向相反的电子密度出现不同。在外加激励电流(电压)增大情况下，这种密度差异会越来越明显。而当外加激励电流(电压)增加到一定程度后，整个电流不发生变化，这个一系列过程我们称为自旋阻塞现象。

除了我们上面提到的自旋阻塞忆阻器。Wang 等人提出了两类我们常见的基于STT效应的自旋忆阻器模型:自旋阀忆阻器物理结构模型、MTJ隧道结忆阻器物理结构模型。根据GMR效应以及TMJ隧道结效应分别对自旋阀结构和隧道结结构的磁阻的影响，在引入忆阻器模型之后形成的新的研究方向:自旋忆阻器。2

结构自旋忆阻器具有多种物理结构，下图是基于推动磁畴壁的技术理沦制成，如图3所示(a图为自旋忆阻器的结构图，b图为等效电路图)。自旋忆阻器是由一个长的自旋阀条构成，包含两层铁磁体:参考层与目由层(a图中下层为参考层，上层为自由层)。参考层的磁极性是通过偶合技术固定在磁层中，自由层被畴壁分为极性相对的两段，每段的总值是由自由层与参考层的相对磁化方向决定的，自由层磁化方向与参考层完全平行(反向)时，其阻值就最低(高)。

基于STT效应的自旋忆阻器特性研究基于STT效应自旋阀结构忆阻器特性研究在研究GMR效应的基础上，早在1991年，B.Dieny根据反铁磁层之间的交换耦合现象提出自旋阀结构模型。自旋阀基本结构为:铁性磁体/非铁性磁体/铁性磁体/反铁性磁体，两个铁性磁体被中间的一个非铁性磁体隔开，由于这层非铁性磁体的存在，导致了两个铁性磁体之间不会发生耦合现象，因此这种自旋阀我们又称之为非祸合型自旋阀。同时B.Dieny在自旋阀结构为NiFe/Cu/NiFe/FeMn结构中发现了低饱和GMR效应现象。

自旋阀结构简单来说分为四层:反铁磁层/铁磁层/非铁磁层/铁磁层。其中反铁磁层又称为钉扎层;靠近反铁磁层的铁磁层称为被钉扎层，另外一个铁磁层我们又称为自由层。

一般而言，自旋阀模型具有以下三个优点：

1、磁电阻变化率4R/R与外磁场呈现线性关系，且频率特性好;

2、饱和场低，灵敏度高;

3、自旋阀中铁磁层磁矩发生扭动，可以有效的克制噪声。

自旋阀内部磁体之间产生祸合现象则是由于反铁性磁体层的存在。而整个自旋阀的电阻值大小取决于两个铁磁层磁矩方向，当两个铁性磁体层中磁矩方向反平行时，自旋阀电阻值最大;而同方向平行时，电阻值最小。

当在外加磁场作用下，自由层中磁矩会进行磁化翻转，当两个铁磁层磁矩方向相同时，电阻值最大。钉扎层与被钉扎层使得自由层磁滞回线发生漂移，导致此时产生祸合现象。

在自旋阀结构的基础上，我们改进得到自旋阀忆阻器物理模型。如图4所示，自旋阀忆阻器物理模型是由一个长度为D、宽度为z、高度为h的自旋阀构成。其中，模型整体结构为:铁性磁体(上层称为自由层)/非铁磁材料/铁性磁体(下层称为参考层)。在两层铁性磁体中间置放一个非铁磁材料目的是使得整个物理模型器件两个铁磁层之间不产生耦合现象。此自旋阀忆阻器模型的特别之处在于畴壁将上层铁性磁体分成了极性相反的两部分。

为了降低交换能，相邻磁畴之间的磁矩逐渐变化的区域我们称为畴壁。从微观量子理论上来说，磁畴是指铁磁体材料在磁化过程中降低静磁能而形成的方向各异的磁化区间。当铁性磁体内部电子经过磁畴，电子自旋磁矩矢量扭转;经过磁畴到达畴壁后自旋磁矩矢量被极化，这个过程可以认为是磁矩矢量在畴壁中发生磁化偏转。整个过程相当于自旋电子传输到畴壁。由于自由层中畴壁的运动引发整个自旋阀忆阻器阻值发生改变。当自由层的磁化方向与参考层的磁化方向完全平行时，阻值最小;当自由层的磁化方向与参考层的磁化方向完全相反时，阻值最大。

基于STT效应隧道结构忆阻器特性研究磁隧道结一般情况下是由两层磁金属体(FM)组成，中间加上一层绝缘层，此绝缘层一般称为隧穿势垒层，表示在绝缘层中有高势垒存在。将此物理模型外加电信号，电子经过绝缘势垒层己经自旋极化过，此时产生较大的磁电阻效应，类似于前面所提到的GMR效应。这里由于是经过隧道结的磁电阻效应，我们称为TMR效应。

早在1975年，Slonczewski提出了隧道结三明治结构(铁磁体/绝缘势垒层/铁磁体)，以Julliere磁隧道结模型进行分析。1975年，Julliere等人制备出了Fe/Ge/Co隧道结，在实验中他们发现隧道结隧穿电导与两个铁磁体的磁化强度方向有关系。

如图 (a)所示，当两个金属磁体的磁化强度方向平行时，一个金属磁体中的态密度大的自旋电子进入到另外一个金属磁体中的态密度大的电子空态中，而一个金属磁体中的态密度小的自旋电子则进入到另外一个金属磁体中的态密度小的电子空态处。此时隧穿电流比较大，得到的隧道结电阻比较小。

如图 (b)所示，而当两个金属磁体的磁化强度方向反平行时，一个金属磁体中的态密度大的自旋电子进入到另外一个金属磁体中的态密度小的电子空态中，而一个金属磁体中的态密度小的自旋电子则进入到另外一个金属磁体中的态密度大的电子空态处。此时隧穿电流比较小，得到的隧道结电阻比较大。

本词条内容贡献者为:

张磊 - 副教授 - 西南大学