[科普中国]-自旋阀

自旋阀是1991年IBM公司Dieny等提出一个简化的四层结构，即磁性层1/非磁性中间层/磁性层2/反铁磁性层。它具有磁电阻率可对外磁场的响应呈线性关系，频率特性好等多个优点。

伪自旋阀（Pseudo Spin Valve）是自旋阀的发展结构，基本结构为“软磁层/非磁性隔离层/硬磁层”，其优点是结构简单，可以选择抗腐蚀性和热稳定性好的硬磁材料，缺点是硬磁层和自由层之间存在耦合。

简介1991年，IBM公司Dieny等提出一个简化的四层结构，并称为自旋阀，即磁性层1/非磁性中间层/磁性层2/反铁磁性层。其中，反铁磁性层具有较强的单轴各向异性，它通过各向异性交换作用将磁性层2的磁矩钉扎在易磁化方向。由于非磁性中问层的隔离，磁性层1和磁性层2的磁相互作用很弱，称为自由层。很弱的外加磁场就可以便自由磁性层2的取向平行或反平行于磁性层2的磁矩方向，分别对应于低电阻态和高电阻态。1

典型自旋阀原理图1（a）为典型的自旋阀结构图，其中AF为反铁磁层，称为钉扎层；M为铁磁层，其中靠近AF的称为被钉扎层，另一层称为自由层；NM为非磁性层。

图1（b）为自旋阀的磁滞回线，图1（c）为磁电阻随磁场的变化曲线。由于在制备自旋阀时，基片上外加一诱导磁场，两磁性层磁矩平行排列，所以外加磁场为0时自旋阀电阻小。在外加反向磁场的作用下，自由层首先发生磁化翻转，两磁性层磁矩反平行排列，自旋阀电阻大。自旋阀电阻大小取决于两铁磁层磁矩（自旋）的相对取向，故称为自旋阀。自由层翻转磁场由其各向异性场和被钉扎层通过非磁性层产生的耦合作用引起的矫顽场和耦合场决定。这里耦合场指由被钉扎层和反铁磁钉扎层引起自由层磁滞回线的漂移。当外加磁场超过由反铁磁层交换耦合引起的交换偏置场时，被钉扎层发生磁化翻转，自旋阀电阻变小。

自旋阀的选材与改进结构为了满足应用要求，需要研制低饱和场、稳定性好、GMR效应大的自旋阀。要达到上述要求，需要对各层材料提出一定的要求。希望反铁磁层具有高电阻、耐腐蚀性且热稳定性好的特点，常用的反铁磁性材料包括FeMn、IrMn、NiMn、PtMn、NiO选择何种材料要综合考虑临界厚度、失效温度、交换偏置场、抗腐蚀性等各个参数。自由层一般采用矫顽力较小且巨磁电阻效应大的材料，如Co、Fe、CoFe、NiFe、NiFeCo、CoFeB等。被钉扎层选择巨磁电阻效应大的材料。

图1（a）所示的是最基本的自旋阀结构，在此基础上进行适当改进可以得到性能更为优越的结构，包括合成反铁磁（Synthetic Antiferromagnetic，简称SAF）钉扎层的自旋阀、双自旋阀等等。此外，利用背散射效应（Back-Layer Effect）、镜像散射效应（Specular Scattering Effect）等在自旋阀结构中插入适当的增效层也可以有效的提高GMR效应。

另一种值得一提的自旋阀结构是用硬磁层代替反铁磁层和钉扎层，基本结构为“软磁层/非磁性隔离层/硬磁层”的结构，被称为伪自旋阀（Pseudo Spin Valve）。其优点是结构简单，可以选择抗腐蚀性和热稳定性好的硬磁材料，缺点是硬磁层和自由层之间存在耦合，自由层的矫顽力增大，因而降低了自旋阀的灵敏度。2

优点1，磁电阻率可对外磁场的响应呈线性关系，频率特性好；

2，低饱和场，工作磁场小；

3，电阻随磁场变化迅速，操作磁通小，灵敏度高；

4，利用层间转动磁化过程能有效地抑制Barkhausen噪声，信噪比高。

巨磁电阻效应巨磁阻效应是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。巨磁阻是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构。这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。

自旋阀中出现巨磁电阻效应必须满足下列条件：

1、传导电子在铁磁层中或在“铁磁/非铁磁”界面上的散射几率必须是自旋相关的；

2、传导电子可以来回穿过两层铁磁层并能记住自己的身份(自旋取向)，即自旋自由程、平均自由程大于隔离层厚度。

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学