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：磁隧道結效應
- 外文名：(MagneticTunnelJunctions
- 相關：量子隧道效應
- 時間：1975年
- 最先發現：Julliere
- 名稱：TMR效應
量子隧道效應,發展歷史,效應,公式,展望,
量子隧道效應
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。如圖，縱坐標為能量的多少。按經典理論，粒子為脫離此能量的勢壘，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。在諸如能級的切換，兩個粒子相撞或分離的過程（如在太陽中發生的僅約1000萬攝氏度的“短核聚變”）中，量子隧道效應經常發生。
發展歷史
早在1975年,Julliere就在Co/Ge/Fe磁性隧道結(MagneticTunnelJunctions，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。在這之後的十幾年內，TMR效應的研究進展十分緩慢（註：TMR效應產生機理是自旋相關的隧穿效應。）
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。20年來，GMR效應的研究發展非常迅速，並且基礎研究和套用研究幾乎齊頭並進，已成為基礎研究快速轉化為商業套用的國際典範。
隨著GMR效應研究的深入，TMR效應開始引起人們的重視。儘管金屬多層膜可以產生很高的GMR值，但強的反鐵磁耦合效應導致飽和場很高，磁場靈敏度很小，從而限制了GMR效應的實際套用。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，其套用前景十分看好，引起世界各研究小組的高度重視。
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。
公式
MTJs中兩鐵磁層電極的自旋極化率定義為：
隧道磁阻TMR：
式中
和
分別為兩金屬層的自旋極化率。
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
