[科普中國]-自旋憶阻器

電子不僅有質(zhì)量和電荷，還具有自旋屬性。傳統(tǒng)微電子學只是利用電子的電荷屬性，在實際應用中主要考慮的是電子電荷在電場中的運動狀態(tài)，而對于電子的自旋情況是不予考慮的。為進一步增強信息處理以及信息存儲等方面應用，必須考慮到電子自旋，由此引入了一門新學科——自旋電子學。研究表明自旋電子學與傳統(tǒng)電子學相比具有很大潛在優(yōu)勢:較快的信息處理速度、較大的信息存儲密度以及集成密度、較低的能耗等等。自旋憶阻器就是基于自旋電子學制作的憶阻器。

憶阻器憶阻器是用來描述磁通量和電荷之間聯(lián)系的一種新型電路元件。1971年，蔡少棠教授團隊通過深刻探索研究對稱性原理的基礎(chǔ)上，歷史上第一次預測提出了電路中應當存在一種新的元件用來表示磁通量與電荷之間的數(shù)學關(guān)系，即我們這里所提到的憶阻器。1

基本特性憶阻器作為一個基本的記憶電路元件，具有三大基本特性：

（1）當外接一個周期激勵電壓(電流)信號時，憶阻器v-i特性曲線是一條過零點，在原點緊縮的緊磁滯回線，呈現(xiàn)類“8”字形狀，且整個曲線具有奇對稱性：

（2）當外加激勵信號頻率逐漸增加到一個較大數(shù)值時，隨著外加輸入激勵信號頻率的增大，整個磁滯回線所圍成的面積將會隨之減?。?/p>

（3）當外加電信號頻率趨向于無窮時，緊磁滯回線將會縮成一條直線，憶阻器的非線性消失，此時電阻為一個定值。這些是理想憶阻器的典型特征，也是其判斷標準。

分類 在理想前提下，憶阻器模型可以分為電荷控制憶阻器和磁通量控制憶阻器兩種類型。當憶阻器數(shù)學關(guān)系式由電荷的單值函數(shù)表示時，即 是q的單值函數(shù)，有 。類似于這種由電荷q決定憶阻值的憶阻器模型，稱為電荷控制憶阻器，簡稱荷控憶阻器，也稱為流控憶阻器。當數(shù)學關(guān)系式由磁通量的單值函數(shù)表示時，即q是 的單值函數(shù)，有 ，定義為憶導，這種由磁通量決定憶阻值的憶阻器模型，稱為磁通量控制憶阻器，簡稱為磁控憶阻器，也稱為壓控憶阻器。

研究現(xiàn)狀如圖2所示，Pershin等人設(shè)計的自旋憶阻器是一個半導體/半電路結(jié)構(gòu)。在兩種材料的邊界處存在的電子自旋現(xiàn)象與憶阻器聯(lián)系一起所產(chǎn)生的現(xiàn)象。我們稱為自旋阻塞效應。

在半金屬以及半導體界面處，我們認為由半導體區(qū)域所具有的自旋方向相對于參考方向向上的電子與自旋方向相對于參考方向向下的電子進入半金屬區(qū)域的概率不同。根據(jù)現(xiàn)有結(jié)論，在圖3中的電路模型中，半導體層中只有自旋方向相對于參考方向向上的電子夠進入到半導體層，而自旋方向相對于參考方向向下的電子則還處于半導體層中，此時在界面處兩種自旋方向相反的電子密度出現(xiàn)不同。在外加激勵電流(電壓)增大情況下，這種密度差異會越來越明顯。而當外加激勵電流(電壓)增加到一定程度后，整個電流不發(fā)生變化，這個一系列過程我們稱為自旋阻塞現(xiàn)象。

除了我們上面提到的自旋阻塞憶阻器。Wang 等人提出了兩類我們常見的基于STT效應的自旋憶阻器模型:自旋閥憶阻器物理結(jié)構(gòu)模型、MTJ隧道結(jié)憶阻器物理結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)GMR效應以及TMJ隧道結(jié)效應分別對自旋閥結(jié)構(gòu)和隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的磁阻的影響，在引入憶阻器模型之后形成的新的研究方向:自旋憶阻器。2

結(jié)構(gòu)自旋憶阻器具有多種物理結(jié)構(gòu)，下圖是基于推動磁疇壁的技術(shù)理淪制成，如圖3所示(a圖為自旋憶阻器的結(jié)構(gòu)圖，b圖為等效電路圖)。自旋憶阻器是由一個長的自旋閥條構(gòu)成，包含兩層鐵磁體:參考層與目由層(a圖中下層為參考層，上層為自由層)。參考層的磁極性是通過偶合技術(shù)固定在磁層中，自由層被疇壁分為極性相對的兩段，每段的總值是由自由層與參考層的相對磁化方向決定的，自由層磁化方向與參考層完全平行(反向)時，其阻值就最低(高)。

基于STT效應的自旋憶阻器特性研究基于STT效應自旋閥結(jié)構(gòu)憶阻器特性研究在研究GMR效應的基礎(chǔ)上，早在1991年，B.Dieny根據(jù)反鐵磁層之間的交換耦合現(xiàn)象提出自旋閥結(jié)構(gòu)模型。自旋閥基本結(jié)構(gòu)為:鐵性磁體/非鐵性磁體/鐵性磁體/反鐵性磁體，兩個鐵性磁體被中間的一個非鐵性磁體隔開，由于這層非鐵性磁體的存在，導致了兩個鐵性磁體之間不會發(fā)生耦合現(xiàn)象，因此這種自旋閥我們又稱之為非禍合型自旋閥。同時B.Dieny在自旋閥結(jié)構(gòu)為NiFe/Cu/NiFe/FeMn結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了低飽和GMR效應現(xiàn)象。

自旋閥結(jié)構(gòu)簡單來說分為四層:反鐵磁層/鐵磁層/非鐵磁層/鐵磁層。其中反鐵磁層又稱為釘扎層;靠近反鐵磁層的鐵磁層稱為被釘扎層，另外一個鐵磁層我們又稱為自由層。

一般而言，自旋閥模型具有以下三個優(yōu)點：

1、磁電阻變化率4R/R與外磁場呈現(xiàn)線性關(guān)系，且頻率特性好;

2、飽和場低，靈敏度高;

3、自旋閥中鐵磁層磁矩發(fā)生扭動，可以有效的克制噪聲。

自旋閥內(nèi)部磁體之間產(chǎn)生禍合現(xiàn)象則是由于反鐵性磁體層的存在。而整個自旋閥的電阻值大小取決于兩個鐵磁層磁矩方向，當兩個鐵性磁體層中磁矩方向反平行時，自旋閥電阻值最大;而同方向平行時，電阻值最小。

當在外加磁場作用下，自由層中磁矩會進行磁化翻轉(zhuǎn)，當兩個鐵磁層磁矩方向相同時，電阻值最大。釘扎層與被釘扎層使得自由層磁滯回線發(fā)生漂移，導致此時產(chǎn)生禍合現(xiàn)象。

在自旋閥結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，我們改進得到自旋閥憶阻器物理模型。如圖4所示，自旋閥憶阻器物理模型是由一個長度為D、寬度為z、高度為h的自旋閥構(gòu)成。其中，模型整體結(jié)構(gòu)為:鐵性磁體(上層稱為自由層)/非鐵磁材料/鐵性磁體(下層稱為參考層)。在兩層鐵性磁體中間置放一個非鐵磁材料目的是使得整個物理模型器件兩個鐵磁層之間不產(chǎn)生耦合現(xiàn)象。此自旋閥憶阻器模型的特別之處在于疇壁將上層鐵性磁體分成了極性相反的兩部分。

為了降低交換能，相鄰磁疇之間的磁矩逐漸變化的區(qū)域我們稱為疇壁。從微觀量子理論上來說，磁疇是指鐵磁體材料在磁化過程中降低靜磁能而形成的方向各異的磁化區(qū)間。當鐵性磁體內(nèi)部電子經(jīng)過磁疇，電子自旋磁矩矢量扭轉(zhuǎn);經(jīng)過磁疇到達疇壁后自旋磁矩矢量被極化，這個過程可以認為是磁矩矢量在疇壁中發(fā)生磁化偏轉(zhuǎn)。整個過程相當于自旋電子傳輸?shù)疆牨?。由于自由層中疇壁的運動引發(fā)整個自旋閥憶阻器阻值發(fā)生改變。當自由層的磁化方向與參考層的磁化方向完全平行時，阻值最小;當自由層的磁化方向與參考層的磁化方向完全相反時，阻值最大。

基于STT效應隧道結(jié)構(gòu)憶阻器特性研究磁隧道結(jié)一般情況下是由兩層磁金屬體(FM)組成，中間加上一層絕緣層，此絕緣層一般稱為隧穿勢壘層，表示在絕緣層中有高勢壘存在。將此物理模型外加電信號，電子經(jīng)過絕緣勢壘層己經(jīng)自旋極化過，此時產(chǎn)生較大的磁電阻效應，類似于前面所提到的GMR效應。這里由于是經(jīng)過隧道結(jié)的磁電阻效應，我們稱為TMR效應。

早在1975年，Slonczewski提出了隧道結(jié)三明治結(jié)構(gòu)(鐵磁體/絕緣勢壘層/鐵磁體)，以Julliere磁隧道結(jié)模型進行分析。1975年，Julliere等人制備出了Fe/Ge/Co隧道結(jié)，在實驗中他們發(fā)現(xiàn)隧道結(jié)隧穿電導與兩個鐵磁體的磁化強度方向有關(guān)系。

如圖 (a)所示，當兩個金屬磁體的磁化強度方向平行時，一個金屬磁體中的態(tài)密度大的自旋電子進入到另外一個金屬磁體中的態(tài)密度大的電子空態(tài)中，而一個金屬磁體中的態(tài)密度小的自旋電子則進入到另外一個金屬磁體中的態(tài)密度小的電子空態(tài)處。此時隧穿電流比較大，得到的隧道結(jié)電阻比較小。

如圖 (b)所示，而當兩個金屬磁體的磁化強度方向反平行時，一個金屬磁體中的態(tài)密度大的自旋電子進入到另外一個金屬磁體中的態(tài)密度小的電子空態(tài)中，而一個金屬磁體中的態(tài)密度小的自旋電子則進入到另外一個金屬磁體中的態(tài)密度大的電子空態(tài)處。此時隧穿電流比較小，得到的隧道結(jié)電阻比較大。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

張磊 - 副教授 - 西南大學