磁隧道結(jié)中的自旋過濾效應(yīng)

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)，信息的傳輸會更加迅速；此外，自旋電路中僅存在自旋電流而沒有電荷移動，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)存儲器及量子計算機(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)勢壘層中的隧穿電流可以通過一個微小的磁場來控制，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)用價值研究價值和廣闊的應(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 層中的電子通過量子隧穿效應(yīng)穿過絕緣層到達(dá)另一個FM層，其量子隧穿的幾率則是由兩FM層相對磁化方向決定的。我們可根據(jù)兩鐵磁層的矯頑力不同來調(diào)整二者的相對磁化方向。飽和磁化時，兩鐵磁層的磁化方向相互平行；反向磁化時，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)榉雌叫小Ｒ虼耍?dāng)兩個鐵磁電極中磁化的相對方向發(fā)生改變時，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子帶發(fā)生相對位移，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)兩個電極自旋平行排列時，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)，此時的電流大，為低阻態(tài)。反之，當(dāng)兩個電極反平行排列時，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)。因為自旋向上和自旋向下的電子在費(fèi)米面分布是不均勻的，導(dǎo)致了反平行排列時的電流小，為高阻態(tài)。我們用自旋極化率來表示TMR 的大小：[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的電阻，P 代表極化率，P1 與P2 分別表示左右兩個電極的極化率。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稱系數(shù)，因此要想設(shè)計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)米面處具有一個明顯的帶隙從而具有半導(dǎo)體特性，由于其能帶只在一個自旋方向存在帶隙，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)等帶來的自旋散射。總之，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、原子無序、自然缺陷、表面態(tài)、溫度升高帶來的熱擾動等因素都會對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)計具有完美自旋過濾效應(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濾效應(yīng)。例如，美國Moodera 的研究小組設(shè)計了Au/EuS/Al 隧道結(jié)[8]，實(shí)驗中，在隧道結(jié)中檢測到了自旋極化電流。兩個電極都是非磁性金屬，不可能產(chǎn)生自旋極化的電子。這說明了，自旋極化電流來自鐵磁性半導(dǎo)體EuS 勢壘的自旋過濾效應(yīng)。此外，實(shí)驗表明，EuSe，EuS,等鐵磁材料被用作勢壘層，同樣成功的探測到了自旋極化電流。CrI3是一個磁性半導(dǎo)體，用CrI3與無磁性金屬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濾效應(yīng)，得到的電流自旋極化度更高，相應(yīng)的自旋過濾效應(yīng)越好。鐵磁隧道結(jié)中的自旋過濾現(xiàn)象是由于勢壘層具有鐵磁性，在居里溫度以下導(dǎo)帶發(fā)生交換劈裂，因此，對于自旋方向不同的隧穿電子具有不同的勢壘高度：自旋向上的電子遇到較低的勢壘；自旋向下的電子遇到較高的勢壘。勢壘越高，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)的自旋過濾效應(yīng)是源于自旋方向的不同的電子遇到的勢壘的高度不同，其根本原因在于勢壘的交換劈裂。其中，勢壘的磁性越強(qiáng)，交換劈裂越大，自旋極化度就越大。

圖2 鐵磁隧道結(jié)電勢分布示意圖

Ef 表示費(fèi)米能級，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的勢壘。當(dāng)溫度低于居里溫度時，高于虛線的水平線表示自旋向下電子的遇到的勢壘，低于虛線的水平線為自旋向上的電子遇到的勢壘。

以上我們分析了幾種磁隧道結(jié)的自旋過濾效應(yīng)，我們發(fā)現(xiàn)無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層也作為勢壘層，與無磁性金屬，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)，具備極高的研究價值和廣闊的應(yīng)用市場。但是要想設(shè)計出多款具有100%自旋過濾效應(yīng)的高性能器件，我們?nèi)允侨沃囟肋h(yuǎn)。