磁隧道結是指在兩塊鐵磁薄片之間夾一層厚度約為0.1nm的極薄絕緣層，構成所謂的結元件。在鐵磁材料中，由於量子力學交換作用，鐵磁金 屬的 3d軌道局域電子能帶發生劈裂，使費米(Fermi)面附近自旋向上和向下的電子具有不同的能態密度。 在 MTJs中，TMR效應的產生機理是自旋相關 的隧穿效應。MTJs的一般結構為鐵磁層 /非磁絕緣 層 /鐵磁層(FM/I/FM) 的三明治結構。飽和磁化時，兩鐵磁層的磁化方向互相平行，而通常兩鐵磁層的矯頑力不同，因此反向磁化時，矯頑力小的鐵磁層磁 化矢量首先翻轉，使得兩鐵磁層的磁化方向變成反 平行。電子從一個磁性層隧穿到另一個磁性層的隧 穿幾率與兩磁性層的磁化方向有關。
基本介紹
- 中文名：磁隧道結
- 外文名：Magnetic Tunnel Junctions
- 相關：量子隧道效應
- 時間：1975年
- 簡稱：MTJs
- 效應：TMR效應
相關概念,歷史,基本特徵,效應,製備,測量,套用與展望,
相關概念
量子隧道效應是基本的量子現象之一，即當微觀粒子的總能量小於勢壘高度時，該粒子仍能穿越這一勢壘。按經典理論，粒子為了脫離此能量的勢壘，必須從勢壘的頂部越過。但由於量子力學中的量子不確定性，時間和能量為一組共軛量。在很短的時間中（即時間很確定），能量可以很不確定，從而使一個粒子看起來像是從“隧道”中穿過了勢壘。
歷史
早在1975年,Julliere就在Co/Ge/Fe磁性隧道結(Magnetic Tunnel Junctions，MTJs)（註：MTJs的一般結構為鐵磁層/非磁絕緣層/鐵磁層(FM/I/FM)的三明治結構）中觀察到了TMR效應。但是，這一發現當時並沒有引起人們的重視。
1988年,巴西學者Baibich在法國巴黎大學物理系Fert教授領導的科研組中工作時，首先在Fe/Cr多層膜中發現了巨磁電阻(GMR)效應。TMR效應和GMR效應的發現導致了凝聚態物理學中新的學科分支——磁電子學的產生。
基本特徵
(1) 低結電壓下 ，隧道電流隨電壓線性變化 ; 高結電壓下 , 隧道電流的變化比線性規律快。
(2) 室溫下 , 磁隧道結的磁電阻約在百分之幾到40%之間, 並隨結 電壓的升高而降低 . 當溫度 從室溫降到77或 4.2K時 , 磁電阻值顯著增大。
(3) 依賴於製備技術 , 磁隧道結的結電阻的變化範圍很大 , 可 以〖10〗^2 μΩ·cm以下〖10〗^7 μΩ·cm以上. *(4) 磁隧道結兩個鐵磁層之間的禍合場很小, 比具有相同鐵磁層厚度的鐵磁金屬一非磁 金屬一 鐵磁金屬三明治結構的藕合場低一個量級 。
與磁性多層膜和顆粒膜相比較, 磁隧道結的最大優點是其可 控的高結電阻(低功率損耗)、飽和場以及相對較高的場靈敏度。
效應
在兩塊鐵磁薄片之間夾一層厚度約為0.1nm的極薄絕緣層，構成所謂的結元件。在鐵磁材料中，由於量子力學交換作用，鐵磁金 屬的 3d軌道局域電子能帶發生劈裂，使費米(Fermi)面附近自旋向上和向下的電子具有不同的能態密度。在 MTJs中，TMR效應的產生機理是自旋相關 的隧穿效應。MTJs的一般結構為鐵磁層 /非磁絕緣 層 /鐵磁層(FM/I/FM) 的三明治結構。飽和磁化時，兩鐵磁層的磁化方向互相平行，而通常兩鐵磁層的矯頑力不同，因此反向磁化時，矯頑力小的鐵磁層磁 化矢量首先翻轉，使得兩鐵磁層的磁化方向變成反 平行。電子從一個磁性層隧穿到另一個磁性層的隧 穿幾率與兩磁性層的磁化方向有關。
若兩層磁化方向互相平行，則在一個磁性層中，多數自旋子帶的電子將進入另一磁性層中多數自旋子帶的空態，少數自旋子帶的電子也將進入另一磁性層中少數自旋子帶的空態，總的隧穿電流較大；若兩磁性層的磁化方向反平行，情況則剛好相反，即在一個磁性層中，多數自旋子帶的電子將進入另一磁性層中少數自旋子帶的空態,而少數自旋子帶的電子也將進入另一磁性層中多數自旋子帶的空態,這種狀態的隧穿電流比較小。
因此,隧穿電導隨著兩鐵磁層磁化方向的改變而變化，磁化矢量平行時的電導高於反平行時的電導。
製備
實驗上 , 製備隧道結 的困難是 :
1、要求氧化物勢壘均勻緻密 , 無針孔等缺陷 , 並且足夠薄（1.0~2.0nm）, 使 電子能夠隧穿 。
2、避免磁性金屬層的表面污染和氧化 , 隧道結的特性所反映的應是磁性金屬層的內在性質而非表面層性質。這兩個問題只能通過嚴格控制製備條件來解決。
目前最常用的絕緣勢壘層是
。其他材料如 MgO等也有報導 ，但在室溫下均未觀察到顯著的磁電阻效應。絕緣層可以直接沉積在磁性金屬層上，或先沉積相 應的 金屬層 (如Al) , 然後進行電漿原位氧或在空氣中自然氧化。利用不 同技術製備的隧道結的電阻率差別很大。
為了使兩個鐵磁層 的磁化強 度能夠平行或反平 行排列 , 可 以採用如下方法 : (1)沉積釘扎層；(2)沉積 MnFe等反鐵磁藕合層；(3)兩個鐵磁層分別選用矯頑力不同的材料 , 如 CoFe和 NiFe；(4)通過控制製備條件使鐵磁層具有不同的矯頑力。
測量
測量隧道結的輸運特性需採用電流垂直膜面 (CPP)方式。因此隧道結的製備常採用兩種特別技術 , 一是光刻，另一種是原位掩膜。光刻的優點是結的數目和尺寸比較容易控制 , 但製備過程較複雜。
套用與展望
由於MTJs中兩鐵磁層間不存在或基本不存在層間耦合，只需要一個很小的外磁場即可將其中一個鐵磁層的磁化方向反向，從而實現隧穿電阻的巨大變化，故MTJs較金屬多層膜具有高得多的磁場靈敏度同時， MTJs這種結構本身電阻率很高、能耗小、性能穩定，因此，MTJs無論是作為讀出磁頭、各類感測器，還是作為磁隨機存儲器MRAM），都具有無與倫比的優點。
但就用於計算機讀磁頭來說，要想使MTJs型的TMR讀磁頭在讀取速率和噪聲兩方面均優於當前的自旋閥型GMR讀磁頭， MTJs的RA值則應低於4Ωμm。目前所能獲得的最佳PSV型MTJs的RA值比這一數值仍然高出2個數量級。
研究與開發室溫TMR值高、熱穩定性好、RA值低、成本低的TMR材料將是今後磁電阻材料領域工作的重點和關鍵，其中低RA值的PSV型MTJs材料的研究和開發有望成為實現這一目標的突破口。
