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磁性隧道结(MTJ)中的隧穿磁电阻(TMR)效应是自旋电子学飞速发展的基础物理效应之一。目前,MTJ器件已经广泛应用于传感器和数据存储等各个方面。在本论文中,我们利用磁控溅射、分子束外延以及电子束蒸发等生长方式制备出不同结构的薄膜,利用微加工手段将薄膜制备成铁磁、磁性半导体和超导复合MTJ器件,并对其相关的磁电输运性质进行了系统的研究。具体如下:
(1)分别利用磁控溅射和电子束蒸发技术制备了具有对称或非对称电极结构的MgO单势垒MTJ,并针对MTJ的低温动态电导的不对称性进行了研究。通过对比不同结构MTJ的不对称电导,讨论了动态电导不对性的起源。
(2)制备了具有CoFeB/CoFe复合自由层的双势垒MgO-MTJ。通过优化自由层中CoFeB厚度和退火温度,得到了222%的室温TMR比值,为目前双势垒MgO-MTJ中最高值。针对上述MTJ,我们对其1/f噪音进行了系统的研究。
(3)研究了具有CoFeB/CoFe复合自由层的双势垒MgO-MTJ和单势垒MgO-MTJ的低温隧道谱。对比测试和分析了单势垒和双势垒MTJ的一阶微分电导的特征和二阶微分电导的峰位。实验结果发现,双势垒MTJ可以看作两个单势垒MTJ的串联。实验中尚未发现相干隧穿特性。
(4)制备了不同厚度CoFe薄膜作为自由层的双势垒MTJ。当CoFe厚度减小,薄膜变为不连续膜时,由铁磁性转变为超顺磁性。通过优化退火温度,并研究了具有超顺磁CoFe薄膜自由层MTJ的磁场的线性响应。此外,还研究了MTJ中的1/f噪音和探测磁场的灵敏度。
(5)制备并优化了GaMnAs/AlOx/CoFeB复合MTJ。通过结合低温热处理和等离子清洁表面技术和提高GaMnAs表面磁性的方式,进而提高了GaMrtAs/AlOx/CoFeB复合MTJ的TMR比值(TMR=101%)。此外,还对隧道结的低温输运性质进行了系统研究。
(6)制备了超导/MTJ结构来研究超导/铁磁复合结构中超导性对铁磁性的影响,并发现了超导对铁磁的钉扎作用。此外,还发现了巴克豪森跳变引起的电阻跳变,并对电阻跳变对应的不可逆翻转的磁矩的量级进行了估计。