隧穿磁阻率

隧穿磁阻率表示隧道磁電阻效應的電阻大小。鐵磁薄片的磁化方向可以在外磁場的控制下被獨立的切換。如果極化方向平行，那么電子隧穿過絕緣層的可能性會更大，其巨觀表現為電阻小；如果極化方向反平行，那么電子隧穿過絕緣層的可能性較小，其巨觀表現是電阻極大。因此，這種結可以在兩種電阻狀態中切換，即高阻態和低阻態。

基本介紹

• 中文名：隧穿磁阻率
• 外文名：Tunnel magnetoresistance
• 領域：固體物理學

發展背景

早在1975年，Julliere就在Co/Ge/Fe磁性隧道結（MagneticTunnelJunctions，MTJs）（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（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。經發展，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。

效應物理

在磁隧道結（MTJ s）中，TMR效應的產生機理是自旋相關的隧穿效應。MTJ s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。通過施加外磁場可以改變兩鐵磁層的磁化方向，從而使得隧穿電阻發生變化，導致TMR效應的出現。