[科普中国]-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 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。

目前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。目前所能获得的最佳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1。

本词条内容贡献者为:

张磊 - 副教授 - 西南大学