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        磁隧道結(jié)中的自旋過(guò)濾效應(yīng)

        2021-01-20 08:44:02張一彬
        關(guān)鍵詞:勢(shì)壘鐵磁磁化

        張一彬

        (西南大學(xué),重慶400715)

        電子不僅是電荷的載體,而且是自旋的載體。利用電子自旋進(jìn)行信息傳輸?shù)淖孕娮訉W(xué)是最具前景的研究領(lǐng)域。在自旋電子學(xué)器件中,由于自旋相干效應(yīng),信息的傳輸會(huì)更加迅速;此外,自旋電路中僅存在自旋電流而沒(méi)有電荷移動(dòng),大幅降低了熱量的產(chǎn)生和能量的耗散。因此,自旋電子學(xué)器件在磁記錄讀出磁頭磁傳感器、磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器及量子計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[1]。

        其中,MTJs 是最熱門(mén)的自旋電子學(xué)器件之一,MTJs 是由兩層鐵磁層夾著一層非磁絕緣層構(gòu)成的,即FM/NI/FM型磁性隧道結(jié),由于磁隧道結(jié)勢(shì)壘層中的隧穿電流可以通過(guò)一個(gè)微小的磁場(chǎng)來(lái)控制,因此具備高靈敏度,低功耗等優(yōu)點(diǎn)。然而只有在室溫下具有高的磁隧穿電阻(TMR)的MTJs,才有具有一定的應(yīng)用價(jià)值研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。因此,制備出室溫下高TMR的是人們孜孜追求的目標(biāo)。

        在MTJs 中,TMR 效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)制是自旋相關(guān)的隧穿效應(yīng),F(xiàn)M 層中的電子通過(guò)量子隧穿效應(yīng)穿過(guò)絕緣層到達(dá)另一個(gè)FM層,其量子隧穿的幾率則是由兩FM層相對(duì)磁化方向決定的。我們可根據(jù)兩鐵磁層的矯頑力不同來(lái)調(diào)整二者的相對(duì)磁化方向。飽和磁化時(shí),兩鐵磁層的磁化方向相互平行;反向磁化時(shí),矯頑力較小的FM層磁化方向首先翻轉(zhuǎn),使得兩FM層的磁化方向由平行變?yōu)榉雌叫?。因此,?dāng)兩個(gè)鐵磁電極中磁化的相對(duì)方向發(fā)生改變時(shí),可獲得大的磁隧穿電阻(TMR)。在鐵磁材料中,例如鐵磁金屬Fe、Co、Ni 等,由于量子力學(xué)交換作用,鐵磁金屬的3d 軌道局域電子能帶發(fā)生劈裂,產(chǎn)生交換作用能,自旋向上和自旋向下的兩個(gè)子帶發(fā)生相對(duì)位移,使得費(fèi)米(Fermi)面附近自旋向上和向下的電子的態(tài)密度有所不同。當(dāng)兩個(gè)電極自旋平行排列時(shí),左電極自旋向上的電子可以進(jìn)入右電極中自旋向上帶的空態(tài),同樣的,自旋向下的電子也可從左電極進(jìn)入到右電極的自旋向下帶的空態(tài),此時(shí)的電流大,為低阻態(tài)。反之,當(dāng)兩個(gè)電極反平行排列時(shí),左電極自旋向上的電子只能進(jìn)入右電極中自旋向下帶的空態(tài),而左電極自旋向下的電子也相應(yīng)的進(jìn)入到右電極的自旋向上帶的空態(tài)。因?yàn)樽孕蛏虾妥孕蛳碌碾娮釉谫M(fèi)米面分布是不均勻的,導(dǎo)致了反平行排列時(shí)的電流小,為高阻態(tài)。我們用自旋極化率來(lái)表示TMR 的大?。篬2]TMR=(RAP-RP)/RP=2P1P2/(1-P1P2) P=|n↓-n↓|/( n↓+n↓)

        圖1

        其中,RAP、RP 分別表示磁隧道結(jié)處于反平行和平行排列時(shí)的電阻,P 代表極化率,P1 與P2 分別表示左右兩個(gè)電極的極化率。根據(jù)Valet-Fert 模型[3],磁隧道結(jié)阻抗- 結(jié)面積乘積的變化率ΔRA=4(βρFtF+γR*A)2/(2ρ*tF+2R*A),β 和γ 分別表示塊體和界面處的自旋非對(duì)稱系數(shù),因此要想設(shè)計(jì)出具有良好電子極化輸運(yùn)性能的磁隧道結(jié)必須選擇自旋極化率很高的磁性材料作為自旋注入源。理論研究表明,若排除自旋翻轉(zhuǎn)因素,磁隧道結(jié)的磁電阻效應(yīng)與自旋極化率的平方成正比,即體系的自旋極化度的越高,獲得的磁電阻就越大,然而鐵磁金屬中的自旋極化率是都不太理想(Fe、Co、Ni 的自旋極化率分別為44%、45%、33%)[4,5]。所以他們的磁電阻效應(yīng)都很低(Fe、Co、Ni 一般約為1%)。因此提高輸運(yùn)電子的自旋極化率是獲得大的TMR的一種有效方法。為了設(shè)計(jì)具有較大的TMR 的高性能器件,研究人員想到了幾種方法,其中一種是用本身具有較高自旋極化率的材料作電極,例如半金屬磁性材料。半金屬休斯勒(Heusler)合金具有獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu),其中一條子能帶穿過(guò)費(fèi)米面表現(xiàn)出典型的金屬性,另一條子能帶在費(fèi)米面處具有一個(gè)明顯的帶隙從而具有半導(dǎo)體特性,由于其能帶只在一個(gè)自旋方向存在帶隙,這種特殊的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其具有100%的傳導(dǎo)電子極化率。其次,大多數(shù) Heusler 合金的居里溫度超過(guò)室溫,例如:Cr2CoGa 和Co2FeSi 分別具有高達(dá)1520K[6], 1100K 的居里溫度[7]。此外,多數(shù)Heusler 合金的晶格常數(shù)與通常二元半導(dǎo)體材料非常接近,大幅降低了異質(zhì)結(jié)的晶格失配率,減弱了晶格扭曲以及界面重構(gòu)、界面熱激發(fā)等帶來(lái)的自旋散射??傊?,休斯勒(Heusler)合金具有100%自旋極化率、高居里溫度以及與通常二元半導(dǎo)體非常接近的晶格常數(shù)等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)越來(lái)越多的被應(yīng)用到磁隧道結(jié)電極材料中以期提供自旋極化度較高的電流。但美中不足的是表面原子的弛豫、晶格畸變、原子無(wú)序、自然缺陷、表面態(tài)、溫度升高帶來(lái)的熱擾動(dòng)等因素都會(huì)對(duì)破壞這類材料半金屬性,使得大多數(shù)Heusler 合金表面的自旋極化率大幅度降低,進(jìn)而使得其應(yīng)用價(jià)值大打折扣。所以,人們也不斷尋找可以獲得高自旋極化率的方法,即設(shè)計(jì)具有完美自旋過(guò)濾效應(yīng)的磁隧道結(jié)。

        人們以鐵磁性絕緣材料或者半導(dǎo)體材料作為勢(shì)壘層制備了鐵磁隧道結(jié),發(fā)現(xiàn)這些鐵磁性絕緣材料或者半導(dǎo)體材料中存在自旋過(guò)濾效應(yīng)。例如,美國(guó)Moodera 的研究小組設(shè)計(jì)了Au/EuS/Al 隧道結(jié)[8],實(shí)驗(yàn)中,在隧道結(jié)中檢測(cè)到了自旋極化電流。兩個(gè)電極都是非磁性金屬,不可能產(chǎn)生自旋極化的電子。這說(shuō)明了,自旋極化電流來(lái)自鐵磁性半導(dǎo)體EuS 勢(shì)壘的自旋過(guò)濾效應(yīng)。此外,實(shí)驗(yàn)表明,EuSe,EuS,等鐵磁材料被用作勢(shì)壘層,同樣成功的探測(cè)到了自旋極化電流。CrI3是一個(gè)磁性半導(dǎo)體,用CrI3與無(wú)磁性金屬Cu 組成磁隧道結(jié)(Cu/2ML-CrI3/Cu),其中Cu作為金屬電極,CrI3既充當(dāng)FM層,又作為勢(shì)壘層。CrI3中的自旋子帶產(chǎn)生交換劈裂,使得自旋向上電子的帶隙比自旋向下電子的帶隙小,也就意味著自旋向上電子遇到的勢(shì)壘要比自旋向下電子的低,因此自旋向上電子的透射率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于自旋向下電子,隧穿電流是由自旋向上電子主導(dǎo),即產(chǎn)生高自旋極化電流,因此磁隧道結(jié)具有良好的自旋過(guò)濾效應(yīng)。還可增加CrI3 的層數(shù),使得每層CrI3 都起到一定的自旋過(guò)濾效應(yīng),得到的電流自旋極化度更高,相應(yīng)的自旋過(guò)濾效應(yīng)越好。鐵磁隧道結(jié)中的自旋過(guò)濾現(xiàn)象是由于勢(shì)壘層具有鐵磁性,在居里溫度以下導(dǎo)帶發(fā)生交換劈裂,因此,對(duì)于自旋方向不同的隧穿電子具有不同的勢(shì)壘高度:自旋向上的電子遇到較低的勢(shì)壘;自旋向下的電子遇到較高的勢(shì)壘。勢(shì)壘越高,隧穿幾率越小,所以自旋向上電子的隧穿幾率遠(yuǎn)大于自旋向下電子的隧穿幾率,從而產(chǎn)生自旋極化電流。綜上,我們得出結(jié)論:鐵磁隧道結(jié)的自旋過(guò)濾效應(yīng)是源于自旋方向的不同的電子遇到的勢(shì)壘的高度不同,其根本原因在于勢(shì)壘的交換劈裂。其中,勢(shì)壘的磁性越強(qiáng),交換劈裂越大,自旋極化度就越大。

        圖2 鐵磁隧道結(jié)電勢(shì)分布示意圖

        Ef 表示費(fèi)米能級(jí),左右兩端的M表示金屬電極,F(xiàn)M表示鐵磁層,虛線代表溫度高于居里溫度時(shí)的勢(shì)壘。當(dāng)溫度低于居里溫度時(shí),高于虛線的水平線表示自旋向下電子的遇到的勢(shì)壘,低于虛線的水平線為自旋向上的電子遇到的勢(shì)壘。

        以上我們分析了幾種磁隧道結(jié)的自旋過(guò)濾效應(yīng),我們發(fā)現(xiàn)無(wú)論是用鐵磁材料還是半金屬材料作為電極,都具有各自難以消弭的局限性。而用磁性半導(dǎo)體材料,一物二用,即作為FM層也作為勢(shì)壘層,與無(wú)磁性金屬,如Ag,Cu,Al 等,組成鐵磁隧道結(jié)。這種磁隧道結(jié)彌補(bǔ)了上述兩種磁隧道結(jié)的缺陷,具備較為完美的自旋過(guò)濾效應(yīng)。目前,這種類型的磁隧道結(jié)已成為研究的熱點(diǎn),具備極高的研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。但是要想設(shè)計(jì)出多款具有100%自旋過(guò)濾效應(yīng)的高性能器件,我們?nèi)允侨沃囟肋h(yuǎn)。

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