自旋纳米振荡器中的人工反铁磁多层膜

发布时间：2020-10-17 08:41

　　 电子同时具有电荷和自旋两种属性,对电子属性中电荷的研究极大地推动了以集成电路为核心的传统微电子学的快速发展。自20世纪末,人们开始关注电子另一属性——自旋的研究,自旋电子学这一新兴学科也由此诞生。自旋电子学可以同时利用电子的电荷和自旋两个自由度,研发出新的、低功耗自旋电子器件,如磁传感器、高密度磁随机存储器、自旋逻辑器件等。新型自旋电子器件的研发以及应用,有望突破性地提高信息的存储密度和处理速度,从而解决当前微电子技术的瓶颈。1988年,德国的Peter Grunberg教授和法国的Albert Fert教授几乎同时发现了巨磁电阻效应,使得磁记录技术得以迅猛发展。随后,人们在A1203和MgO为势垒层的铁磁/绝缘体/铁磁“三明治”结构中发现显著的磁电阻信号,即隧穿磁电阻效应。基于TMR效应的磁存储技术,可以进一步提高磁记录密度。在提高存储密度的同时,越来越多的具有大矫顽力的磁性材料被应用到硬盘中,影响磁头磁矩的翻转速度。这个问题得以解决,依赖于微波辅助磁记录的发展。该技术原理如下:当磁矩在外磁场的作用下绕有效场发生进动时,施加一微波场,降低磁记录材料的矫顽力,使存储单元的磁化方向易于翻转,从而提高磁头的写入能力。为了解决这一问题,人们研发了基于磁性隧道结的自旋纳米振荡器。自旋纳米振荡器在传感器、微波通信、微波源和微波探测等领域也有很大的应用前景。研究表明,磁性隧道结作为自旋纳米振荡器的核心结构,其结构和性能直接影响到自旋纳米振荡器的工作性能。本论文的工作之一便是利用磁控溅射的方法制备高稳定性,高输出功率的隧道结。考虑到人工反铁磁具有稳定性高、杂散场小等优点,我们使用人工反铁磁结构作为钉扎层来钉扎磁性固定层。制备完整隧道IrMn/CoFe/Ru/CoFeB/MgO/CoFeB,当MgO厚度为1 nm时,测量得出TMR为24.9%。在CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道结中,矫顽力较小的上层CoFeB为自由层,而有研究表明,利用人工反铁磁结构作为磁性隧道结中的自由层可以增强热稳定性并降低临界翻转电流。并且固定层面内磁化、自由层垂直磁化的面内垂直磁化结构的自旋纳米振荡器,可以产生较大的进动角,进而产生较大的输出信号。所以本论文的另一工作是制备具有垂直各向异性的人工反铁磁体[Pt/Co]N1/Ru/[Co/Pt]N2,并对其层间交换耦合以及多层膜结构和周期数对磁化翻转的影响进行了系统研究,以期应用到磁性隧道结中。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN752
【部分图文】：

等领域有巨大的应用前景。??从磁电阻效应的发展来看，每一种新的磁电阻效应的发现，都能很大程度的??促进磁性器件的发展。图１－１中显示了磁电阻效应发展的几个里程碑事件。从早??期的“两电流模型”?［２］到Ｃａｍｐｂｅｌ丨与Ｆｅｒｔ等人的“双通道模型”?［３］，再到１９８８??年，ＰｅｔｅｒＧｒｉｉｎｂｅｒｇＡｌｂｅｒｔＦｅｒｔ?教授发现了?巨磁电阻效应（Ｇｉａｎｔｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，??ＧＭＲ）?［４，?５］，两人也因极具应用价值的工作获得了?２００７年的诺贝尔物理学奖。??随后基于磁电阻效应的研究在全世界范围内掀起热潮，磁盘读头和磁性传感器也??得到快速发展。??０?ＭＲ?ｅｆｆｅｃｔｓ?工业应用??ＭＲ?ｒａｔｉｏ?（ＲＴ?＆?ｌｏｗ?Ｈ）??Ｌｏｒｄ?Ｋｅｌｖｉｎ??１?卜‘］??１９８Ｔ?／??ｆ?ｖ｜?ｗ?＾?Ｖ?［?ＭＲ?＝５－１５?％?ｊｙ?＼??ｉ?ｊｉ：二?１９９０?＇?＼?＼??：?＼?Ｉ?ＭＲ?ｈｅａｄ?Ｍ??Ａ．?Ｆｅｒｔ；?Ｐ．?Ｇｒｕｎｂｅｒｇ?ＴＭＲｅｆｆｅｃｔ?＼?????Ｗ??（Ｎｏｂｅｌ?Ｐｒｉｚｅ?２００７）?１９９５?ＡＩ－０?ｂａｒｒｉｅｒ?ｋ?＼?」Ｌ??［＾Ｒ?＝?２０－７０％?Ｍ?Ｖ７??＇?彳?＼１｜?誦一??＾?［?Ｇｉａｎｔ?ＴＭＲ?ｅｆｆｅｃｔ?ｆ?＿，?Ｌｆ＾??２００５?：?ＭｇＯ（００１）?ｂａｒｒｉｅｒ?二—」１?ＭＲＡＭ?Ｉ?—ｊ＾ＴＩ??Ｔ．?Ｍｉｙａｚａｋｉ，?Ｊ．Ｍｏｏｄｅｒａ?ＬＨ．！￡￡ｔ—６＿”．．■■■■?？＿丑一．．．?ｄｅｖｉｃｅｓ?ｊ??２０１０＇＇?「Ｓ７Ｔ－／ＭＭ??

Ｍａｇｎｅｔｉｃ?ｆｉｅｌｄ?（ｋＧ）??图１－２三种Ｆｅ／Ｃｒ超晶格在４．２Ｋ时的磁电阻曲线??如图１－３所示，当两个铁磁层磁矩平行排列时，自旋向上电子经过两层铁磁??层时受到的散射较小，而自旋向下的电子经过两层铁磁层时都受到较大的散射，??最后总的电阻为办＝２均４／（心＋４），是多层膜结构的低阻态。当两个铁磁层磁矩??反平行排列时，总电阻为ｉ？ＡＰ＝（ｉ？Ｔ＋／？ｉ）／２，是多层膜结构的高阻态。实验上，当不??施加外磁场时，两个铁磁层磁矩方向相反，反平行排列，多层膜为高阻态；当施??加外磁场足够大时，两个铁磁层磁矩方向与外磁场方向一致，平行排列，多层膜??为低阻态。??随后科研人员利用ＧＭＲ效应，发现了一种新的结构一一自旋阀。自旋阀结??构具有高的磁场灵敏度和较高的磁电阻比值，促进了存储器件小尺寸、高密度、??高灵敏度的发展。??３??

磁性势垒层而不发生退极化。当进入自由层时，自旋极化方向与固定层磁化方向??一致的电子对局域磁矩施加一个自旋转移矩，使自由层磁矩倾向于与固定层平行??排列，如图１－５?（ａ）所示。??００?屯子流向?（ｂ）?电子流向??ｙ?Ｉ?？?°?＊?—ｔ??、、二一Ｗ—?Ｊ?二??／Ｋ?十?＾??图１－５自旋转移力矩效应原理图［３４］??相反，如果当电子先进入自由层，也会发生自旋极化，接着电子流过非磁性??空间层且不发生退极化。然后进入固定层，由于固定层磁化方向不能改变，被散??射的二次电子再次进入自由层，对自由层磁矩发生作用，如图１－５?（ｂ）所示。当??自旋极化电流产生的自旋力矩足以克服铁磁材料本征的阻尼力矩时，自由层的磁??矩会产生持续的进动甚至发生翻转，从而实现电流对磁化状态的调控［３５］。??利用ＳＴＴ效应开发的磁性随机存储器、自旋纳米振荡器等自旋电子器件在??未来信息存储、无线通讯、微波源和微波探测等领域具有重要应用前景。??１．３．２自旋纳米振荡器??在ＭＴＪ中，自旋转移矩效应不依赖外加磁场，而是利用自旋极化电流，使自??由层的磁矩发生大角度进动甚至磁矩翻转，这种方法可以改变磁矩方向［３６－３８Ｊ。??ＳＴＮＯ是一类具有非常广阔应用前景的自旋电子学器件
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本文编号：2844552