自旋閥

自旋閥是1991年IBM公司Dieny等提出一個簡化的四層結構，即磁性層1/非磁性中間層/磁性層2/反鐵磁性層。它具有磁電阻率可對外磁場的回響呈線性關係，頻率特性好等多個優點。

偽自旋閥（Pseudo Spin Valve）是自旋閥的發展結構，基本結構為“軟磁層/非磁性隔離層/硬磁層”，其優點是結構簡單，可以選擇抗腐蝕性和熱穩定性好的硬磁材料，缺點是硬磁層和自由層之間存在耦合。

基本介紹

• 中文名：自旋閥
• 外文名：Spin Valve
• 一級學科：工程技術
• 二級學科：自旋電子學
• 提出者：Dieny
• 特點：一種四層結構

簡介

1991年，IBM公司Dieny等提出一個簡化的四層結構，並稱為自旋閥，即磁性層1/非磁性中間層/磁性層2/反鐵磁性層。其中，反鐵磁性層具有較強的單軸各向異性，它通過各向異性交換作用將磁性層2的磁矩釘扎在易磁化方向。由於非磁性中間層的隔離，磁性層1和磁性層2的磁相互作用很弱，稱為自由層。很弱的外加磁場就可以便自由磁性層2的取向平行或反平行於磁性層2的磁矩方向，分別對應於低電阻態和高電阻態。

典型自旋閥原理

圖1（a）為典型的自旋閥結構圖，其中AF為反鐵磁層，稱為釘扎層；M為鐵磁層，其中靠近AF的稱為被釘扎層，另一層稱為自由層；NM為非磁性層。

圖1（b）為自旋閥的磁滯回線，圖1（c）為磁電阻隨磁場的變化曲線。由於在製備自旋閥時，基片上外加一誘導磁場，兩磁性層磁矩平行排列，所以外加磁場為0時自旋閥電阻小。在外加反向磁場的作用下，自由層首先發生磁化翻轉，兩磁性層磁矩反平行排列，自旋閥電阻大。自旋閥電阻大小取決於兩鐵磁層磁矩（自旋）的相對取向，故稱為自旋閥。自由層翻轉磁場由其各向異性場和被釘扎層通過非磁性層產生的耦合作用引起的矯頑場和耦合場決定。這裡耦合場指由被釘扎層和反鐵磁釘扎層引起自由層磁滯回線的漂移。當外加磁場超過由反鐵磁層交換耦合引起的交換偏置場時，被釘扎層發生磁化翻轉，自旋閥電阻變小。

圖1：自旋閥的結構與原理示意圖

自旋閥的選材與改進結構

為了滿足套用要求，需要研製低飽和場、穩定性好、GMR效應大的自旋閥。要達到上述要求，需要對各層材料提出一定的要求。希望反鐵磁層具有高電阻、耐腐蝕性且熱穩定性好的特點，常用的反鐵磁性材料包括FeMn、IrMn、NiMn、PtMn、NiO選擇何種材料要綜合考慮臨界厚度、失效溫度、交換偏置場、抗腐蝕性等各個參數。自由層一般採用矯頑力較小且巨磁電阻效應大的材料，如Co、Fe、CoFe、NiFe、NiFeCo、CoFeB等。被釘扎層選擇巨磁電阻效應大的材料。

圖1（a）所示的是最基本的自旋閥結構，在此基礎上進行適當改進可以得到性能更為優越的結構，包括合成反鐵磁（Synthetic Antiferromagnetic，簡稱SAF）釘扎層的自旋閥、雙自旋閥等等。此外，利用背散射效應（Back-Layer Effect）、鏡像散射效應（Specular Scattering Effect）等在自旋閥結構中插入適當的增效層也可以有效的提高GMR效應。

另一種值得一提的自旋閥結構是用硬磁層代替反鐵磁層和釘扎層，基本結構為“軟磁層/非磁性隔離層/硬磁層”的結構，被稱為偽自旋閥（Pseudo Spin Valve）。其優點是結構簡單，可以選擇抗腐蝕性和熱穩定性好的硬磁材料，缺點是硬磁層和自由層之間存在耦合，自由層的矯頑力增大，因而降低了自旋閥的靈敏度。

優點

1，磁電阻率可對外磁場的回響呈線性關係，頻率特性好；

2，低飽和場，工作磁場小；

3，電阻隨磁場變化迅速，操作磁通小，靈敏度高；

4，利用層間轉動磁化過程能有效地抑制Barkhausen噪聲，信噪比高。

巨磁電阻效應

巨磁阻效應是指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時較之無外磁場作用時存在巨大變化的現象。巨磁阻是一種量子力學效應，它產生於層狀的磁性薄膜結構。這種結構是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替疊合而成。當鐵磁層的磁矩相互平行時，載流子與自旋有關的散射最小，材料有最小的電阻。當鐵磁層的磁矩為反平行時，與自旋有關的散射最強，材料的電阻最大。

自旋閥中出現巨磁電阻效應必須滿足下列條件：

1、傳導電子在鐵磁層中或在“鐵磁/非鐵磁”界面上的散射幾率必須是自旋相關的；

2、傳導電子可以來回穿過兩層鐵磁層並能記住自己的身份(自旋取向)，即自旋自由程、平均自由程大於隔離層厚度。