纳米磁多层结构中电流驱动自旋波发射

回顾了纳米磁多层结构中电流感应自旋矩传输和电流驱动磁化矢量进动引起的自旋波发射等新量子效应的研究现状及发展。基于该效应的纳米磁多层微波振荡器件具有结构简单、无须外加磁场、容易集成等特点,在现代通信领域具有广阔的应用前景,备受国内外研究者的关注。介绍了自旋波发射效应的理论处理方法和实验研究进展,讨论了自旋波发射器件的工作原理和铁磁膜的磁化方向、外磁场方向、大小及驱动电流对器件性能的影响。目前研制的器件的效率较低、振荡功率小,采用新的垂直磁化结构有助于解决上述问题。     

纳米尺寸自旋阀中电流驱动的自旋波发射

提出了在纳米赝自旋阀中的电流感应自旋传输矩的磁动力学描述,成功地解释了在磁纳米多层结构中的电流驱动微波发射和电流感应磁化翻转现象。自旋流极化由在电导匹配时的自旋流和化学势连续性边界条件决定。自旋矩的纵向和横向分量在自旋阀的电流驱动微波发射和电流感应磁化翻转现象中扮演了不同的角色:纵向自旋矩分量决定了电流感应磁化翻转(CIMS)效应,而横向自旋矩是自旋波发射(SWE)效应所不可缺少的。根据这一理论,由LLG方程自然得到自旋波发射的双模,分别为横向自旋矩引发的X和Y方向的振动,并引起磁多层电阻以频率2w或w(进动频率)随时间变化。磁场和自旋流共同决定了自旋波发射的频率和功率,这一理论预言了某种特殊的磁多层结构,如磁层相互垂直的结构,将具有大得多的微波发射效率,这一结论已经被实验所证实。     

对称磁多层结构纳米自旋传输矩微波振荡器

提出一种新型的电流驱动对称磁多层结构纳米自旋传输矩微波振荡器结构。由两个铁磁膜组成,具有相同厚度,中间被一薄的非磁层隔开。纳米磁多层柱的上、下都有金属层作为电极。一个恒定不变的直流电流垂直通过该磁多层结构时,产生自旋极化和自旋传输矩,并施加自旋矩于每一磁层。当电流超过临界值时,引起两个磁膜的磁化矢量交替翻转方向,并导致磁多层电阻的周期性变化,从而产生稳定的微波振荡。振荡频率与电流呈线性关系,变化范围1～100GHz。微波功率也可以用电流调节,范围在1μW～1mW。     

一种新的自旋量子效应——电流感应磁化翻转

电流感应的磁化翻转效应是近年来继巨磁阻效应(GMR)和隧道磁阻效应(TMR)之后提出的一种nm尺度下新的自旋相关效应,在无外加磁场的情况下,垂直于铁磁层平面的自旋极化电流就能引起铁磁层的磁化翻转。该效应有望被用于制作新型的电流操纵磁存储器件。报道了该效应的理论和实验的研究进展。     

低矫顽力GMR磁传感器及其单畴模型的研究

在硅片上制备结构为Ta/NiFeCr/NiFe/CoFe/Cu/CoFe/IrMn/Ta的IrMn顶钉扎自旋阀薄膜,并最终制成了一组基于此自旋阀结构的GMR磁传感器芯片。利用弱磁场下的退火工艺,改变薄膜易磁化轴的方向,当退火温度为150℃、外加磁场为120Oe时,GMR芯片的矫顽力可以降至0.2Oe以下。同时建立了一种自旋阀自由层的单畴模型,用以解释这一退火效应。利用Mat-lab计算GMR芯片的Meff-H曲线,所得到的计算结果与实验结果一致。所以,自旋阀自由层易磁化轴的方向与GMR磁传感器的性能有着密切的关系。     

低矫顽力GMR磁传感器及其单畴模型的研究

在硅片上制备结构为Ta/NiFeCr/NiFe/CoFe/Cu/CoFe/IrMn/Ta的IrMn顶钉扎自旋阀薄膜,并最终制成了一组基于此自旋阀结构的GMR磁传感器芯片.利用弱磁场下的退火工艺,改变薄膜易磁化轴的方向,当退火温度为150℃、外加磁场为120 Oe时,GMR芯片的矫顽力可以降至0.2 Oe以下.同时建立了一种自旋阀自由层的单畴模型,用以解释这一退火效应.利用Matlab计算GMR芯片的Meff-H曲线,所得到的计算结果与实验结果一致.所以,自旋阀自由层易磁化轴的方向与GMR磁传感器的性能有着密切的关系.     

低矫顽力GMR磁传感器及其单畴模型的研究

在硅片上制备结构为Ta/NiFeCr/NiFe/CoFe/Cu/CoFe/IrMn/Ta的IrMn顶钉扎自旋阀薄膜，并最终制成了一组基于此自旋阀结构的GMR磁传感器芯片。利用弱磁场下的退火工艺，改变薄膜易磁化轴的方向，当退火温度为150℃、外加磁场为120Oe时，GMR芯片的矫顽力可以降至0.2Oe以下。同时建立了一种自旋阀自由层的单畴模型，用以解释这一退火效应。利用Mat-lab计算GMR芯片的Meff-H曲线，所得到的计算结果与实验结果一致。所以，自旋阀自由层易磁化轴的方向与GMR磁传感器的性能有着密切的关系。     

纳米尺度自旋转移矩器件的制备工艺

提出一种改进的自旋转移矩器件的制备工艺:在电子束曝光形成纳米级图形之后,依次采用离子束刻蚀、带胶绝缘层淀积再正胶剥离的图形转移方法,成功制备了纳米柱状赝自旋阀结构磁性多层膜CoFe/Cu/CoFe/Ta,器件的横向尺寸为140nm×70nm。对该结构进行了电磁学性质的测试:在变化范围为-500～+500Oe(1A/m=4π×10-3 Oe)的外加磁场下,观测到巨磁阻效应;在零外加磁场下,施加垂直于膜平面的电流时,观测到电流诱导的磁化翻转效应,其临界电流密度为108 A/cm2量级。该方法具有工艺步骤少、易于实现的特点,在自旋转移矩器件等纳米级器件的制备中具有广泛的应用前景。     

自旋电子学及其器件

1988年Fert与Grunberg科研小组彼此独立地在铁/铬多层膜纳米结构中发现了高达50％的磁电阻效应,从此自旋电子学诞生了.目前,自旋电子学已经发展出磁读头、磁电隔高耦合器、磁随机存储器(MRAM)、微波探测器等器件,年产值近1000亿美元.同时,通过与其它学科的结合,半导体自旋电子学、有机自旋电子学等均成为物理研究的前沿.因此,大量中外院士与专家认为自旋电子学及器件很有可能成为世界第四次产业革命的导火索.     

自旋阀中的极化输运与相关自旋新材料及结构研究

电子既是电荷的载体又是自旋的载体。电子作为电荷的载体,使二十世纪成为了微电子学的天下。而随着1988年巨磁电阻(GMR)效应发现以来,通过操纵电子的另一量子属性——自旋,使新一代的电子器件又多了一维控制手段。电子自旋的研究涵盖了金属磁性多层膜、磁性氧化物、磁性半导体等众多体系,探寻这些体系中自旋输运的基本原理是研究的重点。目前,基于传统自旋阀中极化输运及自旋电子学的发展,对新材料和新结构的研究尚不成熟,还有众多科学问题亟待解决,诸如:如何在室温下获得更大的巨磁电阻变化率、提高器件的稳定性及灵敏度、自旋阀中交换偏置场产生的物理根源、实现自旋同半导体完美结合的材料、结构及方法等。因此,基于国内外自旋电子学研究的重点,首先围绕最基本的自旋阀纳米多层膜结构,开展了自旋阀多层膜制备、设计、结构优化、自旋阀交换偏置核心结构物理机制探索等研究;其次,提出了三种异质结新结构,并以大自旋极化率Fe3O4磁性半金属为核心材料,开展了自旋阀、新异质结研究;最后,在理论与材料研究的基础上,对自旋器件进行了设计与实验研究,获得了一些有益的结果:(1)理论方面,基于自旋电子器件进一步发展对新结构、新材料发展的需求,提出了磁性半导体/半导体、磁性半导体/磁性半导体、自旋滤波材料/自旋滤波材料的新自旋异质结模型。理论分析发现,利用磁性半导体/半导体异质结,在负偏压的作用下可实现自旋电子的极化输运,而利用磁性半导体/磁性半导体、自旋滤波材料/自旋滤波材料异质结可实现趋于100%的磁电阻变化率。另外通过计算,对可实现的磁阻效应及对材料的要求进行了详细研究,为新材料的应用奠定了一定的理论基础。(2)虽然基于自旋阀核心结构的自旋电子器件研究已开展了多年,但如何进一步提高自旋电子器件的磁电阻效应、灵敏度、工作范围、工作稳定性和解决这些问题的物理机制,仍是自旋电子学中的一个热点。因而,首先基于Mott二流体模型发现自旋阀巨磁电阻受磁性材料、非磁性材料、自旋极化率、自旋扩散长度、厚度、尺寸、电阻率等影响明显,因而可通过改善制备工艺条件及各层的材料、厚度改善自旋阀的性能,探寻提高巨磁电阻变化率、灵敏度等的有效途径。其次,以理论分析为指导,实验上首先制备Ta/NiFe/Cu/NiFe/FeMn传统自旋阀多层膜,研究了自由层、隔离层、钉扎层、反铁磁层厚度对巨磁电阻效应的影响,找到了最佳的制备工艺;其次,研究了缓冲层材料对自旋阀灵敏度、巨磁电阻效应的影响。发现由于缓冲层元素表面自由能的影响导致了自旋阀灵敏度的改变,指出选择适当表面自由能的缓冲层,可有效改善自由层薄膜的性能,为提高器件的灵敏度提供了有效的途径;最后,基于室温磁场下制备自旋阀交换偏置场较小、工作范围较窄的问题,通过对传统结构的改进,提出了新型双交换偏置场自旋阀模型,为增大器件工作稳定性、人为调制器件工作范围,提供了有效手段。(3)交换偏置在自旋电子器件中具有核心地位,但到目前为止,其产生的物理根源、影响其大小的因素仍是未解决的难题。因而,基于自旋阀的核心结构——铁磁/反铁磁交换偏置效应,研究了NiFe/FeMn双层膜钉扎层、被钉扎层厚度、材料微结构、底钉扎、顶钉扎结构等对交换偏置的影响,分析了交换偏置产生的物理根源;研究了制备磁场大小对钉扎场大小的影响,发现了利用大磁场可实现提高交换偏置的新方法,并利用52kA/m(650Oe)的大磁场在1~2nm的NiFe钉扎层中实现了接近48kA/m(600Oe)的交换偏置场。(4)基于自旋阀测试,研究了初始测试磁场平行与反平行于交换偏置场方向,测试电流的大小对交换偏置场的影响。并用大脉冲电流,在初始测试磁场反平行于交换偏置场方向的样品中,首次实现电流矩在电流沿膜面流动自旋阀结构中对钉扎场的翻转,为铁磁/反铁磁双层膜体系产生交换偏置的机理提供了新的研究途径,并对自旋阀的应用提出了新的挑战。(5)为探寻高自旋极化率的新材料,开展了半金属磁性材料Fe3O4薄膜制备工艺的研究。通过改变溅射功率、退火温度、缓冲层、磁场沉积等,在200W溅射功率、300℃的退火温度、24kA/m(300Oe)沉积磁场的最佳条件下获得了高晶粒织构、成分单一的Fe3O4薄膜,并通过对氧气氛的调节,实现了无缓冲层高性能Fe3O4薄膜的制备。(6)利用所制备的Fe3O4薄膜,进行了基于Fe3O4自旋阀的制备,发现Fe3O4薄膜同其它金属材料间电阻率的失配,是造成巨磁电阻效应低的原因;另外,基于理论提出的磁性材料/半导体异质结,制备了Fe3O4/n-Si纳米结,初步实现了磁性材料到半导体的自旋注入与输运。     

具有CoCrPt硬磁偏置的微尺寸巨磁阻传感器

本文介绍了一种基于GMR自旋阀的磁场传感器,它用于读取磁记录信息,并且通过硬磁偏置层解决了小尺寸GMR中存在的巴克豪森噪声问题. 传感器采用顶钉扎的自旋阀结构的GMR,磁电阻经过优化达到13.2%. 自旋阀的自由层被CoCrPt永磁体磁化到和被钉扎层的磁化方向相互垂直,这样可以使磁传感器得到线性的磁场探测性能. 对磁场传感器经过测试发现,硬磁偏置层在磁化后相较于磁化前,磁传感器的MR-H曲线得到明显改善,且矫顽力降低.     

反铁磁自旋电子器件及其研究进展

反铁磁凭借对外磁场不敏感、电场自旋调控以及自旋动力学响应速度快等优势成为当前自旋电子器件研究热点。首先将反铁磁自旋电子器件划分为存储器件、逻辑器件和类脑器件三类进行介绍,对各类器件发展历程进行分析和归纳,展示在结构设计、自旋调控、速度能耗等方面的特点,其中基于纯电场自旋轨道矩和交换偏置场调控的反铁磁器件极具发展前景。同时,介绍了近年反铁磁信号的探测和调控机制的研究旨在帮助器件设计研究,例如磁场和电流调控、电场调控等;最后从物理机制、器件设计和实际应用角度总结了反铁磁自旋电子器件领域存在的困难和挑战,展望了其发展方向和机遇。     

镜面反射纳米氧化层自旋阀的显微结构研究

巨磁电阻 (ＧＭＲ)多层膜自发现[1] 以来 ,自旋极化电子的传输过程一直是凝聚态物理研究的热点。如何进一步改进材料 ,提高巨磁电阻效应 ,已成为自旋阀在计算机硬磁盘读出磁头等重要信息处理器件方面应用的关键问题。最近 ,通过将自旋阀的部分被钉扎层和自由层进行氧化处理 ,引入厚度约为1ｎｍ的氧化层薄膜 (ＮＯＬ ,ｎａｎｏ ｏｘｉｄｅｌａｙｅｒ) ,可成倍地提高自旋阀的巨磁电阻 (ＧＭＲ)比率[2 ] 。这一发现引起了国际自旋电子学研究领域的广泛关注[3～ 6] 。目前 ,人们普遍认为厚度为 2～ 3原子层的纳米氧化层对自旋极化电子产生镜面反…     

自旋转矩纳米振荡器的研究进展

自旋转矩纳米振荡器(STNO)是利用自旋极化电流引起多层磁性纳米结构中的自由磁性层的磁矩进动,并结合磁电阻效应而得到微波输出的一种新型微波振荡器,它具有体积小,振荡频率可电流调控,品质因素高和低功耗等优点.本文介绍了STNO的工作原理,综述了STNO的国内外研究现状和发展趋势,并展望其应用前景.     

薄膜磁敏电阻元件KMZ10

１绪论ＫＭＺ１０系列薄膜磁阻元器是一种结构新颖的Ｎｉ-Ｆｅ合金薄膜磁敏电阻元件 ,同时也是一种高灵敏度的磁性传感器 ;它采用Ｂａｒｂｅｒ结构的桥式电路 ,内含偏置磁场结构的Ｎｉ-Ｆｅ合金薄膜磁阻元件。因而具有灵敏度高、线性范围宽、工作频率特性稳定、温度性能优良、抗干扰能力强、体积小和结构简单等特点。可广泛应用于磁性编码器、磁阻齿轮传感器、磁阻接近开关、磁阻电流传感器及无接触电位器等器件。２原理和结构铁磁性物质在磁化过程中的电阻值将沿磁化方向随外加磁场的增强而增大 ,并达到饱和的这种现象称为磁阻效应。按照磁…     

磁自旋耦合作用对OLEDs性能的影响

介绍了近年来有关磁自旋耦合作用对有机电致发光器件性能影响的研究进展,包括有机磁阻效应、电致发光效应、光电导效应、量子效率效应等.其中,磁场作用下的有机磁阻可达到10%,理论上最大值为-50%;自旋极化注入的引入使得OLEDs的内量子效率达到32%,并且磁场作用下的电致发光强度也增强了8%左右;磁场作用下,器件的光电导和外量子效率分别增大了6%.以上效应随磁场增加逐渐趋于饱和.对于这些效应产生的理论机制,一般认为是由于三线态-三线态的猝灭、塞曼效应及超精细作用等产生的.三线态-三线态的猝灭形成了激发单线态激子S*,形成滞后的电致发光;而塞曼效应及超精细作用则认为是磁场抑制了单线态向三线态的转化致使发光增强.现在这方面的理论仍在完善过程中.     

稀磁半导体异质结构的自旋极化输运性质

采用格林函数方法和群速近似研究在电场、磁场作用下电子渡越稀磁半导体异质结构的自旋过滤及自旋分离的特征。研究表明具有不同自旋指向的极化电子渡越同一稀磁半导体异质结构 ,不仅隧穿几率存在着显著的差异 ,而且渡越时间的差异可达几个数量级。这种差异随着外磁场的增强而加大 ,而随外电场的增强而减小。结果意味着稀磁半导体异质结构具有很好的自旋过滤效果 ,且极化电子渡越此类结构在时间上是分离的     

物理所等在Pt薄膜磁近邻效应研究中取得新进展

<正>自旋电子学的发展依赖于对电子自旋状态进行有效调控。除传统的磁场调控手段外,自旋极化电流、自旋流产生的自旋转移力矩效应是对自旋电子材料的自旋动力学行为进行调控的重要手段,尤其是后者,因为不产生焦耳热,是发展未来自旋电子器件的关键技术之一。纯自旋流无法直接通过电测量方式探测,但在非磁材料中的纯自旋流由于自旋-轨道作用,在垂直于自旋     

Ni80F20／Cu基磁性多层 自旋阀的微结构

用高分辨电子显微学及平行电子能量损失谱方法研究了Ｎｉ８０ｅ２０／Ｃｕ基磁性多层膜和自旋阀的显微结构。高分辨像显示,磁性我层膜及自旋阀均具有沿薄膜生长方向的柱晶结构。Ｎｉ,Ｆｅ,Ｃｕ和Ｍｎ元素的成分分布图显示,柱晶内仍保持完整的层状结构。沿薄膜生长方向的自旋阀元素分布曲线分析表明,ＮｉＦｅ层中的Ｎｉ元素沿柱晶晶界向相邻Ｃｕ层扩散。讨论了这些低维磁电子学材料的显微结构对磁输运性能的影响。     

微波静磁波模式特性分析

全面分析了磁光薄膜波导中磁化方向对微波静磁波传播模式的影响。给出了不同模式的静磁波色散方程和带宽的一般表达式,首次完整地展现了静磁波的模式分布图。所得结论可用于分析倾斜磁场在改善基于静磁波的新型磁光B ragg器件衍射性能方面所起的作用。