2006cb-重大科學(xué)研究計(jì)劃課題總結(jié)報(bào)告1帶附錄

課題結(jié)題總結(jié)報(bào)告提（標(biāo)題4號黑體，正文小4號仿宋體，A4紙、雙面印刷1、計(jì)劃任務(wù)完成情2、研究水平與創(chuàng)新4、人才培養(yǎng)、合作交流、數(shù)據(jù)共享等方面的情5、經(jīng)費(fèi)使用情6、存在的主要問7、課題組長和承擔(dān)單位意見（需課題組長簽字、承擔(dān)單位蓋章課題總結(jié)報(bào)劃任務(wù)完成情課題一的研究內(nèi)容和預(yù)期目計(jì)劃任務(wù)和預(yù)期目標(biāo)完成情況以及所取得的突出進(jìn)展概二、代表性的研究進(jìn)展和成果及其研究水平與創(chuàng)新材料性能的優(yōu)化同類Al-O勢壘磁性隧道結(jié)的及性能指標(biāo)處于國際先進(jìn)水平磁性隧道結(jié)器件里有效反鐵磁釘扎層中Mn擴(kuò)散的方高質(zhì)量Fe(001)/MgO(001)/Fe(001)單晶MTJ的國際合作研Fe/MgO/FeMTJTMRMgO(001)勢壘磁性隧道結(jié)的及負(fù)隧穿磁電阻效應(yīng)研CoFeB/MgO/CoFeBMTJ具有垂直各向異性的[Co/Pt]n具有線性磁場響應(yīng)的磁性隧道結(jié)材料的與研層間反鐵磁耦合的[Pt/Co]5/Ru/[Co/Pt]5IrMn/Cu/IrMn半金屬全單晶外延結(jié)構(gòu)La0.7Sr0.3MnO3磁性隧道結(jié)的研鐵、鈷、鎳單質(zhì)或合金磁性納米管的電化學(xué)及磁性研CoCrPt鐵磁性納米線和納米管的及其磁學(xué)性質(zhì)研器件物理研究和計(jì)算模自旋閥型納米環(huán)狀磁性隧道結(jié)的及其磁電性質(zhì)研三明治型納米環(huán)狀磁性隧道結(jié)的及其磁矩翻轉(zhuǎn)機(jī)制的研Fe(001)/MgO/FeTMRFe(001)/MgO/FeMgCoFe(001)/MgO/FeCrFe(001)/MgO/FeFe(001)/MgO/FeFe-MgOFe(001)/MgO/Fe/MgO/Fe磁性隧道結(jié)中的量子阱隧穿效應(yīng)研有機(jī)復(fù)合磁性隧道結(jié)及其隧穿磁電阻特性研納米環(huán)磁隨機(jī)器原理型器件的設(shè)計(jì)和研基于垂直電流寫入的磁隨機(jī)存取含金屬芯的納米環(huán)磁場驅(qū)動型磁隨機(jī)電流驅(qū)動型納米環(huán)磁隨機(jī)一種基于自旋軌道耦合效應(yīng)的磁隨機(jī)器(SOC-MRAM)的設(shè)一種讀和寫分離的磁隨機(jī)環(huán)狀多層量子點(diǎn)浮置柵4K納米環(huán)MRAM標(biāo)準(zhǔn)的研究進(jìn)與國內(nèi)外同類研究工作相比的研究水平與創(chuàng)新(I)材料和性能優(yōu)化方磁隨機(jī)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和器件原理研究方三、實(shí)施效五、經(jīng)費(fèi)使用情況在的問題和建I存在的問MgO-MTJ課題一的合作單位缺少部分8英寸磁電子關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)對MRAM技術(shù)研發(fā)的投入，增強(qiáng)國家自主創(chuàng)新和研發(fā)能力）七、課題簽附錄I： 近五年課題一組的10篇代表性學(xué)術(shù)（包括已接受的）附錄II. 2006-2010年課題一組的相關(guān)研究學(xué)術(shù)附錄III. 2006-2010年課題一組的其他重要學(xué)術(shù)附錄IV. 2006-2010年課題一組獲得發(fā)明專利附錄 2006-2010年課題一組新申請發(fā)明專VI.2006-2010年課題一組成員參加國際會議的邀請報(bào)告VII.2006-2010年課題一組成員參加國際會議的一般報(bào)告VIII.2006-2010年課題一組成員參加國內(nèi)會議的邀請報(bào)告表一973計(jì)劃項(xiàng)目學(xué)術(shù)組織任職情表二973劃項(xiàng)目培養(yǎng)優(yōu)秀中青年人才情一、計(jì)劃任務(wù)完成情(計(jì)劃任務(wù)完成情況、預(yù)期目標(biāo)是否實(shí)現(xiàn)、所取得的突出進(jìn)展等課題一的研究內(nèi)容和預(yù)期目標(biāo)研究內(nèi)預(yù)期目利用納米微加工技術(shù)，來探索100納米尺度的、由十層左右的納米道結(jié)的方法和優(yōu)化其工藝條件探討優(yōu)化納米環(huán)狀磁性隧道結(jié)究尺寸和形狀效應(yīng)對極化電流驅(qū)動100納米尺度的基于Al-O的單10m2100km2其自由層的磁矩在室溫下臨界翻轉(zhuǎn)電流強(qiáng)度小于１mA量級、或者室溫臨界驅(qū)動電流密度小于2x107束技術(shù)和聚焦離子束刻蝕技術(shù)，來探索和優(yōu)化100環(huán)狀磁性隧道結(jié)的方法和工藝研究納米環(huán)狀磁性隧道結(jié)中的移力矩(Spintransfertorque)效應(yīng)、包括傳導(dǎo)電流對納米磁性單元磁結(jié)構(gòu)道譜和自旋相關(guān)散射及自旋弛豫過100納米尺度的基于Al-O的雙10m2100km2量級，室溫磁電阻比達(dá)10%50%。其中間自由層的磁矩在室溫下臨界翻轉(zhuǎn)電流強(qiáng)度小于１mA量級、或者室溫臨界驅(qū)動電流密度小于5x107A/cm2。研究內(nèi)預(yù)期目第三年100探討優(yōu)化納米環(huán)狀磁性隧道結(jié)究降低或避免納米環(huán)狀磁性隧道結(jié)和形狀效應(yīng)對極化電流驅(qū)制的探索100納米尺度的環(huán)狀磁性米環(huán)狀磁性隧道結(jié)作為磁單元闡明增強(qiáng)陣列中單元磁電阻的第四年開展新型無反鐵磁釘扎層的軟、硬磁復(fù)合納米環(huán)狀或者納米橢圓環(huán)狀磁性隧道結(jié)的和研究采用有相對小矯頑力的軟磁材料做自由層、并采用有相對大矯頑力的硬磁材料做底部參考層來納米環(huán)狀或者納米橢圓環(huán)狀磁性隧道結(jié)。Mn以避免高溫?zé)崽幚磉^程中Mn擴(kuò)散第五年通過與國內(nèi)外企業(yè)合作研究的設(shè)計(jì)和能與100納米尺度下的納米環(huán)狀或者納米橢圓環(huán)狀磁性隧研制基于納米環(huán)狀或者納米橢圓環(huán)狀磁性隧道結(jié)單元的2x2、3x3、4x4=16bit新型磁隨機(jī)器MRAM原理型演示器件。計(jì)劃任務(wù)和預(yù)期目標(biāo)完成情況以及所取得的突出進(jìn)展概況根據(jù)五年的計(jì)劃研究內(nèi)容和預(yù)期研究目標(biāo)我們在MRAM單元材料方面，通過優(yōu)化其工藝條件，成功出了外直徑為100nm、內(nèi)直徑為40至60nm、環(huán)寬為3020Al-O勢壘的自旋閥和三明治結(jié)構(gòu)的磁性隧道結(jié)及其陣列，結(jié)電阻可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要控制在10m250km2量級之間，室溫磁電阻比可以在20%50%之間調(diào)整。100納米尺度的環(huán)狀磁性隧道結(jié)其自由層磁矩在室溫下臨界翻轉(zhuǎn)電流強(qiáng)度最低已做到小于450微安量級、或者室溫臨界驅(qū)動電流密度已小于7x106單晶Fe(001)/MgO(001)/Fe(001)磁性隧道結(jié)以及基于準(zhǔn)單晶MgO(001)勢壘的CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)，其室溫隧穿磁電阻已初步做到150%至250%。我們完我們還通過第一性原理計(jì)算等分析方法，重點(diǎn)研究了單晶MgO(001)勢壘磁性隧道結(jié)的隧穿磁電阻溫度特性、通過金屬鎂插層改善MgO(001)勢壘磁性隧道結(jié)質(zhì)量和性能Co(001)Cr(001)插層導(dǎo)致的電導(dǎo)CrMgO(001)Al-O非晶勢壘磁1000%的新材料體系指包括第一種類型--磁場驅(qū)動磁矩翻轉(zhuǎn)和信息寫入的MRAM(如：基于垂直電流寫入的磁場驅(qū)動型MRAM，包含金屬芯的納米環(huán)磁場驅(qū)動型MRAM，包含金屬芯的納米橢圓環(huán)或多邊形磁場驅(qū)動型MRAM等)；第二種類型—電流及其自旋轉(zhuǎn)移力矩(STT)驅(qū)動磁矩翻轉(zhuǎn)和信息寫入的MRAM(如：納米環(huán)磁隨機(jī)器，納米橢圓環(huán)磁隨機(jī)器，一種讀寫分離的磁隨機(jī)器等)；第三種類型—基于自旋軌道耦合效應(yīng)的SOC-MRAM等有五種以上的MRAM設(shè)計(jì)方案已獲得中國發(fā)明專利或?qū)＠?。特別是在發(fā)展電流驅(qū)動型納米環(huán)和納米橢圓環(huán)MRAM以及基于自旋軌道耦合效應(yīng)的SOC-MRAM同時與等半導(dǎo)體公司和加工企業(yè)合作，調(diào)整了MRAM演示器件的研究方4x4=16bit4K4KMRAM標(biāo)準(zhǔn)的研究進(jìn)程。目前，已在8英寸工藝線上，優(yōu)化出了外徑138納米、環(huán)寬50納米的SiN納米環(huán)掩膜；并通過外協(xié)委托加工，獲得了含有4KMRAMCMOS電路的第一批次共三片8英寸晶圓，每枚8英寸晶圓包含42個4KCMOS完整電路；并在該批次三片8英寸晶圓的CMOS電方，已委托加工沉積完AFM/CoFeB/Ru/CoFeB/MgO(100)/CoFeB5片8英寸晶圓的AFM/CoFeB/Ru/CoFeB/MgO(100)/CoFeB磁性隧道結(jié)薄膜也在異地完成了委托2011—2015后續(xù)MRAM項(xiàng)目課題的研過去五年期間SCI學(xué)術(shù)77篇(其中有Adv.Mater.1篇PRL3篇,PRB14篇，APL12篇，JAP12篇，JMMM和IEEETrans.Magn.等23篇。2006-2010新的已被他人169次。2006-2010年期間獲國際專利2項(xiàng)，獲中國發(fā)明專利26項(xiàng)獲中國實(shí)用新型專利2項(xiàng)新提交中國發(fā)明專利申請23項(xiàng)新提交國際專利申請2項(xiàng)。有國際會議邀請報(bào)告26人次，有雙邊國際會議邀請報(bào)告20062010二、代表性的研究進(jìn)展和成果及其研究水平與創(chuàng)新性理型器件設(shè)計(jì)以及演示器件研制方面獲得顯著改進(jìn)和提高，我們的工作重點(diǎn)集中在(1)材料性能的優(yōu)化和；(2)器件物理研究和計(jì)算模擬；(3)納米環(huán)磁隨機(jī)器原理材料性能的優(yōu)化同類Al-O勢壘磁性隧道結(jié)的及性能指標(biāo)處于國際先進(jìn)水平經(jīng)過納米加工工藝的不斷優(yōu)化和探索，我們能夠穩(wěn)定和大量外環(huán)直徑在80nm800nm25nm30nm的小尺寸環(huán)形氧化鋁勢壘磁性隧道結(jié)及其陣AFM/FM/Insulator/FM(如：Seedlayer/Ir-Mn/CoFe/Ru/CoFeB/Al-O/CoFeB/Coverlayer)納米環(huán)磁性隧道結(jié)陣列；另外一類是無反鐵磁釘扎層的三明治結(jié)構(gòu)納米環(huán)狀磁性隧道結(jié)陣列材料FM1/Insulator/FM2(如：Seedlayer/CoFe/CoFeB/Al-O/CoFeB/NiFe/Coverlayer)MnMn擴(kuò)散Fig.1Al–Obarrierbasednano-ringMTJswithspin-valvestructureandCoFeBferromagneticelectrodematerials.1mA的極化電流就TMR20%~50%的矩型磁電阻TMR--I或R--I工作曲線，為磁性隧道結(jié)的新應(yīng)用奠定了重要的新材Fig.1Al–Obarrierbasednano-ringMTJswithspin-valvestructureandCoFeBferromagneticelectrodematerials.該項(xiàng)研究一經(jīng)后[Z.C.Wenetal.Appl.Phys.Lett.91(2007)122511],立刻被作為前沿研究焦點(diǎn)領(lǐng)域的、被全文收錄在2007年10月1日由物理和物理學(xué)會負(fù)責(zé)的VirtualJournalofNano-scaleScience&Technology雜志上。APL的審稿人高度評價(jià)該項(xiàng)工作，認(rèn)為：“100nm30nm的納米環(huán)（狀磁性隧為這件出色的工作將對MRAM的發(fā)展產(chǎn)生巨大作用”。[Thefabricationofthenanoringsdownto100nminouterdiameterandringwidthof30nmishighlynon-trivial.Theauthorshavemanaged evarioustechnicalchallengestoachievethebeautifulresults.considerthisasignificantpieceofworkthatwillhaveagreatimpactonMRAM磁性隧道結(jié)器件里有效反鐵磁釘扎層中Mn擴(kuò)散的方我們細(xì)致研究了磁性隧道結(jié)器件在沉積過程以及熱處理退藝過程中普遍Mn原子向上下鐵磁電極和勢壘層中的擴(kuò)散問題。Mn擴(kuò)散會ysisofelementalMn,ysisofelementaldistributionsforaCoFeMTJsample.TheHAADFimageshowthelineprofilesforelementsMnandextractedfromaalongthedirectioninthemiddleforannealedCodistributionswithinaCoFeBsample.TheHAADFimageshowthelineprofilesforelementsMnandCoextractedfromaalongthedirectioninthe我們發(fā)現(xiàn)在高溫和低溫退火時采用非晶CoeB和多晶Coe織構(gòu)的作為鐵磁電極的Mn300Mn要是通過體擴(kuò)散以及由氧原子的輔助擴(kuò)散來進(jìn)行，這不同于傳統(tǒng)的Mn擴(kuò)散沿著晶粒邊界的觀點(diǎn)非晶的o-e-與<10織構(gòu)的o-e可以有效的Mn原子的擴(kuò)散在高于300Mn原子的擴(kuò)散是通過非晶o-e-鐵磁電極中的空位以及多晶o-e鐵磁電極的晶粒邊界來進(jìn)行的?；跀U(kuò)散動力學(xué)關(guān)系，我們半定量概括了Mn擴(kuò)散方式對溫一個在磁性隧道結(jié)多層膜沉積過程以及退火過程中有效反鐵磁釘扎層中Mn擴(kuò)散的后三年納米環(huán)磁隨機(jī)器的研制對未來發(fā)展基于磁性隧道結(jié)為器件材料的其新型自旋電子學(xué)器件設(shè)計(jì)，具有重要的指導(dǎo)意義[.ang,..,andZ.Zhagetl.,214424高質(zhì)量Fe(001)/MgO(001)/Fe(001)單晶磁性隧道結(jié)的國際合作研我們與英國牛津大學(xué)Roger.C.C.Ward教授的課題組合作，采用分子束外延生長方法和常規(guī)的微加工技術(shù)，出微米和亞微米長方形或橢圓形的單晶磁性隧道結(jié)Fe(001)/MgO(001)/Fe(001)，室溫隧穿磁電阻為170%低溫318%)的單晶磁性隧道結(jié)，這樣的結(jié)果達(dá)到國際同類材料的先進(jìn)水平[AIST課題組,TMR=188%(低溫247%)；法國LPM課題組,TMR=185%(低溫330%)]。沒有關(guān)系，而反平行態(tài)電阻隨溫度降低迅速增加。平行態(tài)動態(tài)電導(dǎo)在正負(fù)0.4V范圍內(nèi)在物理評論B雜志上[Temperaturedependenceofgianttunnel epitaxialFe/MgO/FeMTJsSGWang,R.C.C.Ward,GX.DuXF.HanC.Wang,andA.Kohn，Phys.RevB78(2008)180411(R)]Fig.3Fig.3intheP(soliddots)andAP(opendots)configurationsasfunctionoftemperature.(b)TemperaturedependenceofTMRratioforjunctions.Solidlinesaresimulated單晶外延Fe/MgO/Fe隧道結(jié)中磁電阻效應(yīng)和結(jié)電阻與溫度依賴關(guān)系的研在以非晶Al-O為勢壘的磁性隧道結(jié)中，磁電阻效應(yīng)和結(jié)電阻對溫度的依賴關(guān)系可以很好地采用C.HShang的模型來解釋[C.HShangandJSMooderaetal.,Phys.RevB58(1998)R2917]。C.H.ShangJulliere模型的基礎(chǔ)上，引入一個與MgO勢壘層對自旋極化電子的選擇性隧穿正是Fe/MgO/Fe圖圖4(a).不同厚度下磁電阻比值對溫度的依圖4(b).不同厚度下平行態(tài)和反平行態(tài)結(jié)電阻賴關(guān)系?？招狞c(diǎn)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)線為擬合結(jié)和結(jié)面積的積矢對溫度的依賴關(guān)系。空心點(diǎn)為 e隧道結(jié)中磁電阻效應(yīng)以及結(jié)電阻對溫度的依賴關(guān)系，以及上述關(guān)系在不同勢壘層厚度下的變化。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)O勢壘層的厚度為3納米時，反平行態(tài)結(jié)電阻隨溫度的升高而降低；平行態(tài)結(jié)電阻O2.11.5納米時，反平行態(tài)結(jié)電阻隨溫度的升高而降低；但此時平行態(tài)結(jié)電阻隨溫度OC..g的模型來解釋，也不能用liereO單晶為勢壘層的磁性隧道結(jié)中磁電阻效應(yīng)和結(jié)電阻對溫度的變化關(guān)系。模型中，由于上下磁性電極（單層e膜和IrMn層膜）的飽和磁化強(qiáng)度隨溫度的升高而降低，這個變化可以采用布洛赫（Bloch）定律態(tài)是低結(jié)電阻態(tài)。采用上述模型可以很好得模擬磁電阻比值和結(jié)電阻對溫度的依賴關(guān)O2009年在應(yīng)用物理快報(bào)雜志上[Q.L.,..ang,R..C.ard,and..etal.,Apl.Phys.t.5(2009)02506]。MgO(001)勢壘磁性隧道結(jié)的及負(fù)隧穿磁電阻效應(yīng)研我們與愛爾蘭圣三一學(xué)院J.M.DCoey于準(zhǔn)單晶氧化鎂勢壘Mg(001)和非晶CoFeBCoFeB(t)/MgO(001)(2.5)/CoFeB(3)/Ta(5)/Ru(5),并研究了其磁電阻性質(zhì)。特別研究了該隧道結(jié)結(jié)構(gòu)中CoFe/Ru/CoFeB人工反鐵磁釘扎結(jié)構(gòu)隨著CoFeB應(yīng)用具有很好的參考價(jià)值[J.F.Feng,G.Feng,J.M.D.Coey,X.F.Hanetal.,invertedtunnelingmagneto-inMgO-basedmagnetictunneljunctions,Appl.Lett.91(2007102505]超薄鐵磁電極情況下CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)的超順磁性研2001年國際MgO磁性隧道結(jié)由于單晶特性將具有超過1000%的隧穿磁阻比值(TMR)；2004年國際MgO磁性隧道結(jié)研究取得突破，室溫下觀測到200%的TMR；至今，國際在室溫下觀測到超過600%的TMR。MgO磁性隧道結(jié)因其具有很在CoeB/MgO/CoeB這類隧道結(jié)體系中，因其容易加工和豐富的物理器件性能，備受關(guān)注。在合作單位愛爾蘭圣三一學(xué)院(riityCollegeblin,Irean)協(xié)助下，通過改變釘扎一層的Coe厚度我們成功出亞納米量級的磁性薄膜并系統(tǒng)研究了其在O1.2nm特別有意思的是這類O磁性隧道結(jié)呈現(xiàn)出負(fù)的TMR效應(yīng)(見圖1中插圖)。這一研究成果對器件應(yīng)用中的超順磁性極限有充分的物理認(rèn)知，將為實(shí)際器件應(yīng)用提供指導(dǎo)和幫助。該研究成果已在2010年物理評論B雜志上[J..,..Chen,Venkatesan,G.Feng,X.F.Han,andJ.M.D.Coey,SuperparamagnetisminMgO-圖5(a).CoFeB厚度為1nm的MgO圖5(a).CoFeB厚度為1nm的MgO磁性隧道圖5(b).不同CoFeB厚度的MgO磁性隧道結(jié)的磁結(jié)在不同溫度下的TMR曲線：(a)300 化曲線：(a)0.5nm;(b)0.75nm;(c)1.0nm.(b)77K(c)24K。(a)中插圖為大磁場不同CoFeB厚度下超順磁性轉(zhuǎn)變溫度。具有垂直各向異性的[Co/Pt]n多層膜的磁化反轉(zhuǎn)研[Co/Pt]n多層膜是重要的具有垂直各向異性的材料。它可以作為垂直各向異性的磁型-STTMRAM的磁矩垂直型磁性隧道結(jié)單元材料。因而研究它的磁化反轉(zhuǎn)行為進(jìn)而調(diào)節(jié)磁化反轉(zhuǎn)場以及交換偏置的大小具有重要的意義。IrMn釘扎的[Co/Pt]n多層膜的IrMnCoCo圖6.具有垂直各向異性的頂部釘扎(a)-(h)和底部釘扎(i)-(p)的交換偏置的[Co/Pt]n多層膜的反?；魻柷€。向異性的影響，Co層的磁矩不會完全垂直于膜面，它會產(chǎn)生一點(diǎn)傾斜，以前的實(shí)驗(yàn)通過在Co層和IrMn之間圖6.具有垂直各向異性的頂部釘扎(a)-(h)和底部釘扎(i)-(p)的交換偏置的[Co/Pt]n多層膜的反?；魻柷€。JMDCoey教授的小組合作，了底部釘扎和頂部釘扎的IrMn相鄰Co[Co/Pt]nPt(2nm)/IrMn(10)/Co(tCo)/Pt(2)/[Co(0.45)/Pt(2)]3和Pt(2nm)/[Co(0.45)/Pt(2)]3/Co(tCo)/IrMn(10)/Pt(2)并對其進(jìn)行反常霍爾效應(yīng)測量以及XRDAFM等表征實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示[Co/Pt]nIrMnCo層厚度(tCo)Co層厚度，可以調(diào)節(jié)[Co/Pt]n多層膜的交換偏置和矯頑力的大小。這一研究結(jié)果對于研究和基于垂直各向異性[Co/Pt]n多層膜的磁性隧道結(jié)材料，進(jìn)而線性的磁性傳感器和垂直型磁性隨機(jī)器(PerpendicularMRAM)，具有重要的學(xué)術(shù)參考價(jià)值。該研究成果已被2010年1月份舉行的JointMMM/Intermag國際會議推選為邀請墻報(bào)告(Invitedposterpresentation)進(jìn)行展出[J.Y.Chen,J.M.D.Coey,X.F.HanetTailoringmagnetizationreversalinexchangebiased[Co/Pt]nmultilayerswithperpendicularmagneticanisotropy,2010JointMMM/Intermagconference,DU-01(Invitedposter)TransMagn46(2010)1401]具有線性磁場響應(yīng)的磁性隧道結(jié)材料的與研究基于TMR磁性隧道結(jié)材料和GMR巨磁電阻多層膜材料的磁敏傳感器件要求其磁滯和很好的線性輸出特性。磁電阻變化達(dá)到了2%[Q.H.Qin,H.X.Wei,X.F.圖7(a).室溫下的圖7(a).室溫下的磁電阻曲線，雙箭頭表示自由層和參 圖7(b).室溫下磁電阻變化在不考層的磁矩排布情況。(b)零磁場附近磁電阻變化情 況。(c)磁電阻與溫度的依賴關(guān)系(d)不同溫度下，電阻 傳感器件的開發(fā)和應(yīng)用。該研究成果2009年在《應(yīng)用物理快報(bào)》雜志上[H.WeiandXF.Hanetal.,Appl.Phys.Lett.94(2009)172902,MagnetictunneljunctionsensorwithCo/Ptperpendicularanisotropyferromagneticlayer.]。層間反鐵磁耦合的[Pt/Co]5/Ru/[Co/Pt]5多層膜中的巨大反?；魻栃o/Pt多層膜由于其高垂直各向異性(PA)和熱穩(wěn)定性，成為自旋電子學(xué)中垂直磁記錄領(lǐng)域很重要的材料。Co/PtPt5dCo3dCo層中的交實(shí)驗(yàn)上Ru間隔層，引入層間反鐵磁耦合相互作用(AFC)，通過對反?；魻栂禂?shù)ReρxxPttPt的進(jìn)一步研究。該研究成果已在2010年物理評論B雜志上[J.Zhao,andX.Han,etal.,LargeExtraordinaryHallEffectin[Pt/Co]5/Ru/[Co/Pt]5Multilayers,Phys.Rev.81(2010)172404.]圖圖8(a).反常霍爾系數(shù)Re阻率ρxx關(guān)于Pt層厚度tPt的變化曲線；(b)圖8(b).反?；魻栂禂?shù)Reρxxρxy表的Co/Pt超晶格樣品(最后一行)納米反鐵磁材料IrMn/Cu/IrMn的磁電阻效應(yīng)研納米磁性多層膜的磁電阻效應(yīng)來自于鐵磁材料費(fèi)米面處自旋向上電子和自旋向下電子態(tài)密度的不對稱造成的自旋相關(guān)散射，典型的像eoi鐵磁/非磁e-Mni-MnIMnt-M等反鐵磁缺乏相應(yīng)的研究。圖圖9.當(dāng)IrMn厚度t=0.5,1.0,2.0and4.0nm時，樣品Ta(5)/IrMn(8)/Cu(2.8)/IrMn(t)/CoFe(8)我們利用IrMn/Cu/IrMn/CoFe多層膜在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了大小為0.5%左右的磁電阻效反鐵磁/非磁/反鐵磁等納米多層膜中，通過非磁性層表現(xiàn)出的層間耦合[CaiandLaietal.,Phys.Rev.B70(2004)214428]和磁電阻效應(yīng)都是一種普遍現(xiàn)象。該研究成果2009年在《應(yīng)用物理快報(bào)》雜志上[L.Wang,S.G.WangandX.F.Hanetal., effectinantiferromagnet/nonmagnet/antiferromagnetmultilayers，Appl.Phys.Lett.95(2009)152512]半金屬全單晶外延結(jié)構(gòu)La0.7Sr0.3MnO3磁性隧道結(jié)的研低維度下極少電子系統(tǒng)通常會表現(xiàn)出特殊的輸運(yùn)性質(zhì)，如庫侖阻塞現(xiàn)象等。如果在這樣的系統(tǒng)中加入自旋的作用，自旋相關(guān)隧穿和單電子隧穿將融合一起導(dǎo)致新的現(xiàn)象。最近我們對磁控濺射的具有低溫高自旋極化率和高隧穿磁電阻的半金屬全單晶外延結(jié)構(gòu)的La0.7Sr0.3MnO3(100)/SrTiO3(100)/La0.7Sr0.3MnO3(100)磁性隧道結(jié)進(jìn)行了研trapmeV，遠(yuǎn)大于庫侖電荷能11meV。該阻塞現(xiàn)象可以被外加磁場所調(diào)制，并且在阻塞閾值之的偏壓下能夠產(chǎn)生高達(dá)10000%的磁電阻。這種電導(dǎo)阻塞機(jī)制與通常的庫侖阻塞完果，對發(fā)展基于自旋相關(guān)隧穿和單電子隧穿機(jī)制的電子器件，具有重要參考價(jià)值。相關(guān)研究結(jié)果2008年在應(yīng)用物理快報(bào)雜志上[J.F.Fengetal.,Space-chargetrapmediatedconductanceblockadeinMTJswithhalf-metallicelectrodes，Appl.Phys.Lett.93(2008)192507]。有關(guān)全單晶半金屬磁性隧道結(jié)LSMO/STO/LSMO在4.2K時高達(dá)10000%的磁電阻效應(yīng)研究結(jié)果，也被收錄在Springer 的由ShriramRamanathan編著的《ThinFilmMetal-Oxides》著作中(109)。Fig.10(a)Fig.10(a)EDSprofileoftheSTO/LSMOtunneljunction.BlackbarsFig.10(b)[d2I/dV2]versusbiasvoltageVindicatethenominalpositionsofthecurvesfor10and20K.Thecurvefor20interfaces.TherisingbackgroundisKisshiftedby1×10?6A/V2bablycausedbythewedge-shapedVerticalbarshighlighttheoscillations.TEMspecimen.Inset:High-resolutionTEMimageofthejunction.多種鐵磁性納米管的合成、結(jié)構(gòu)和磁性研自從1991年S.Iijima發(fā)現(xiàn)碳納米管以來，各種納米結(jié)構(gòu)材料，如納米點(diǎn)、納米線、磁性的納米線和納米管，如：Fe、Co、Ni單質(zhì)以及它們的合金NiFe、CoFe、CoFeB和管的成分和各種幾何參數(shù)。隨著測量磁場角度的增加，它們的磁化反轉(zhuǎn)機(jī)制會從“卷曲高效率的新方法。我們課題組有關(guān)近十種鐵磁性納米管材料的實(shí)驗(yàn)方法和成果，2009年已被邀請?jiān)诘聡南冗M(jìn)材料雜志上[X.F.Hanetal.,AdvancedMaterials21(2009)4619,StructureandMagneticpropertiesofvariousferromagneticnanotubes.]。圖圖11.插圖(A)、(B)、(C)和(D)分別給出圖12.(A和(B)是NiFe和CoCrPt磁性納米管的具有代表性的Co、Ni、NiFe、CoCrPt磁M(H)磁化曲線；(C)是CoCrPt納米線和納米管的性納米管的高分辨掃描電鏡形貌。矯頑力Hc對外磁場施加角度θ外磁場施加角度θ的依賴關(guān)系，其中(E)和(F)分鐵、鈷、鎳單質(zhì)或合金磁性納米管的電化學(xué)及磁性研我們利用直流電化學(xué)方法在有機(jī)和氧化鋁模板中分別合成出e、o、i單質(zhì)和o-eo-ti-eo-e-io-e-B等合金磁性納米管(相對短的磁性納米管即構(gòu)成磁性納米環(huán))600nm6or作為工作電極，通過改變所沉積的金膜的厚度來調(diào)控所生長的磁性納米管的內(nèi)徑和壁厚，而納米管的長度可以通過改變沉積時間來調(diào)節(jié)。TEMFe、Co、Ni50nm的納米管Hc(θ)曲線顯示矯頑力（Hc）隨著角度先增加后減小呈現(xiàn)M型變化，表明磁翻轉(zhuǎn)隨著角度的增加先表現(xiàn)一致轉(zhuǎn)動后變成卷曲轉(zhuǎn)動，而對于厚度為150nm的納米管Hc(θ)隨著角度的增加而增加，這也證明納米管的磁翻轉(zhuǎn)機(jī)制主要是卷曲翻轉(zhuǎn)。對于不同壁厚的磁性納米管其剩磁/SQ(θ)SQ值都是隨著角度的增加而增加，表明磁性納米管的易磁化軸都在垂直于納米管軸的方向。例如：對于厚度為150nm的Co300KMt成一對數(shù)關(guān)系，這一曲線展現(xiàn)出的是一典型的弛豫行為，因?yàn)榇懦谠ナ窃贖c附近，因此外加磁場選擇0.8Hc，0.85Hc。S(H,T)行為顯示納米管有很強(qiáng)的磁粘滯效應(yīng)，而且磁翻轉(zhuǎn)出現(xiàn)在矯頑力Hc附近。相關(guān)研究結(jié)果2008年在應(yīng)用物理快報(bào)雜志上[R.Sharif,X.F.Hanetal.,Magneticswitchingofferromagneticnanotubes,App.Phy.Lett.92(2008)032505]。Fig.13MorphologyofConanotubes:(a)FESEMimagesofConanotubearraysofthicknessFig.13MorphologyofConanotubes:(a)FESEMimagesofConanotubearraysofthicknesst2and(b)TEMimagesofConanotubesofthicknesst1,Theinsetshowsdiffractionpatternofthenanotubesshowingitsfcccrystallinestructure.CoCrPt鐵磁性納米線和納米管的及其磁學(xué)性質(zhì)研CoCrPt是一種重要的磁記錄材料，也可以作為磁性隧道結(jié)的比特層(自由層)圖14.CoCrPt納米線(a)和納米管(b)的電鏡照(d)和(f)為其磁化反轉(zhuǎn)模式,其中(d)是卷曲轉(zhuǎn)動,(f)是一致轉(zhuǎn)動。

圖15.(a)和(b)是CoCrPt的納米線及納米管在室溫下其剩磁矩形比SQ(Mr/Ms)和矯頑力Hc(mT)對外磁化場施加角度θ點(diǎn)變成納米柱(管)是一種有效方法。而采用電沉積法的CoCrPt納米線(管)，被認(rèn)為因此，我們采用低成本的電化學(xué)沉積法了鐵磁性的CorPt納米線和納米管陣CorPtCorPt(外磁場與納米管軸的夾角)的增加，磁化反轉(zhuǎn)模式會從“卷曲轉(zhuǎn)動”變?yōu)椤耙恢罗D(zhuǎn)動”。在磁化過程中，對于納米管，而對于納米線則主要是形狀各向異性占主導(dǎo)這一結(jié)果對于將來研究密度的磁記錄介質(zhì)有重要的指導(dǎo)意義。該研究成果2009年在《應(yīng)用物理快報(bào)》雜志上[S.ShamailaandX.F.Hanetal.,Electro-chemicalfabricationandmagnetizationpropertiesofCoCrPtnanowiresandnanotubes,App.Phy.Lett.94(2009)203101.]。器件物理研究和計(jì)算模自旋閥型納米環(huán)狀磁性隧道結(jié)的及其磁電性質(zhì)研成功出直徑為100nm、環(huán)寬為30nm的自旋閥釘扎型Ta(5)/Ir22Mn78(10)/Co75Fe25(2)/Ru(0.75)/Co60Fe20B20(3)/Al-Ox(0.7)/Co60Fe20B20(2.5)/Ta(3)/Ru(5) Roomvs.(a)currentIand(b)linearmagneticfieldappliedintheexchangebiasdirectionofaNR-MTJwithouterdiameter2r=100nmandringwidthr=25nmatroomtemperature.位信息0、1、2的等。該研究成果2008年已在物理評論B雜志上[H.X.Weietal.,Current-inducedmultiplespinstructuresin100-nmnanoringmagnetictunneljunctions,Phys.Rev.B77(2008)224432.]。三明治型納米環(huán)狀磁性隧道結(jié)的及其磁矩翻轉(zhuǎn)機(jī)制的研成功出直徑為100nm、環(huán)寬為30nm的三明治型Ta(5nm)/Cu(20)/Ta(5)/CoFe(5)/算了三明治結(jié)構(gòu)納米環(huán)形磁性隧道結(jié)中電生的奧斯特場和自旋極化電生的自Fig17TheTMRasafunctionoftheamplitudeofthe200nspulsedcurrentdensityatzeromagneticfield.a)ExperimentalresultatRT.b)SimulatedFig17TheTMRasafunctionoftheamplitudeofthe200nspulsedcurrentdensityatzeromagneticfield.a)ExperimentalresultatRT.b)Simulatedresultbyusingsamesetofparametersinadditiontothedamparametersof0.01and0.015forthetopandbottommagnetic降低功耗，提高密度具有很好的指導(dǎo)意義。該研究成果2008年已在物理評論B雜志上[H.X.Weietal.,Effectsofthecurrentonthenanoscalering-shapedmagnetictunneljunctions,Phys.Rev.B77(2008)134432]。單晶磁性隧道結(jié)Fe(001)/MgO/Fe的TMR振蕩磁電阻效應(yīng)研自旋量子調(diào)控的最佳器件體系之一。的實(shí)驗(yàn)小組經(jīng)過系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)：Fe(001)/MgO(001)/Fe(001)磁性隧道結(jié)的隧道結(jié)電阻(R)和隧穿磁電阻(TMR)都隨MgO勢壘層的厚度變化呈現(xiàn)周期性的振蕩效應(yīng)[S.Yuasaetal.,NatureMaterials3(2004)R.Matsumotoetal.,Appl.Phys.Lett.90(2007)252506]。這些在單晶磁性隧道結(jié)器件里觀Fig.18Wederiveasimpleformalismofvertexcorrectionsforthetunnelingprobabilityofanelectronduetononspecularscattering.Predictionsofthemodelintermsofthebarrierthicknessdependenceofthe andoscillatoryFig.18Wederiveasimpleformalismofvertexcorrectionsforthetunnelingprobabilityofanelectronduetononspecularscattering.Predictionsofthemodelintermsofthebarrierthicknessdependenceofthe andoscillatorytunneling (TMR)areinexcellentagreementwithexperiment.中發(fā)現(xiàn)的隨隧道結(jié)勢壘層變化的結(jié)電阻、TMR以及振蕩效應(yīng)一致。同時，利用該模型可以得到實(shí)驗(yàn)中隧道結(jié)勢壘界面處的散射率符合T3的溫度規(guī)律，其主要散射機(jī)制是非彈性的電-運(yùn)過程中非鏡像散射的影響該研究成果2008年已在物理評論B雜志上[X.-G.Zhang,Y.Wang,andX.F.Han，Theoryofnonspeculartunnelingthroughmagnetictunneljunctions，Phys.Rev.B77(2008)144431]。這一基于第一性原理的定量計(jì)算結(jié)果和物理研究，對發(fā)展基于單晶O隧道結(jié)材料和基于自旋量子隧穿效應(yīng)的自旋電子學(xué)器件，特別是對今后研制自旋晶體管、磁隨機(jī)器和磁邏輯等器件具有重要的學(xué)術(shù)參考價(jià)值。Fe(001)/MgO/Fe中Mg插層對磁電阻調(diào)制作用的第一性原理計(jì)算研為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)超過500Gb/in2的密度磁記錄需要在提高磁讀頭的靈敏（亦即TMR磁電阻比值）的同時，降低隧道結(jié)電阻或者電阻-面積乘積。對于O單晶勢壘的磁性隧道結(jié)若減小勢壘厚度至1nm以下材料過程中勢壘將較難形成單晶結(jié)構(gòu)最近在已經(jīng)的磁性隧道結(jié)的實(shí)驗(yàn)中為使勢壘在鐵磁電極上形成良好的單晶(001)晶相，通常在底部鐵磁電極和O之間生長一層較薄的非磁性金屬M(fèi)g。盡管實(shí)驗(yàn)上已證實(shí)Mg的會提高隧道結(jié)界面和勢壘質(zhì)量并增大磁電阻TMR比Mg圖圖19（a）.Fe電極磁化平行(上左和上右)和反圖19(b).電極磁化平行情況下，來自左側(cè)平行(下左和下右)情況下，F(xiàn)e(001)/Mg/MgO/電極Fe中具有費(fèi)米能量EF且k1=0的不同對Fe磁性隧道結(jié)中任一自旋電子在2維布里淵區(qū)稱性Bloch電子在Fe(001)/Mg/MgO/Mg/Fe 我們通過利用LayerKorringa-Kohn-Rostoker方法，對非對稱的Fe(001)/Mg(001)/MgO(001)/Fe(001)和對稱的Fe(001)/Mg(001)/MgO(001)/Mg(001)/Fe(001)MgFeΔ1MgMg層時大幅度衰減。所以界面非磁性的Mg層能夠有效的保證MgO勢壘隧道結(jié)中Δ1對稱性的多數(shù)自旋電子近大量基于MgO勢壘隧道結(jié)實(shí)驗(yàn)中Mg層的主要原因提供了一個根本解釋。值。相關(guān)研究結(jié)果在2010年物理評論B雜志上[YanWang,JiaZhang,X.-Zhang,Hai-Cheng,X.F.Han,Phys.Rev.B82(2010)054405]Co插層對單晶磁性隧道結(jié)Fe(001)/MgO/Fe磁電阻的增強(qiáng)效目前實(shí)驗(yàn)上出的Fe(001)/MgO/Fe結(jié)構(gòu)隧道結(jié)材料的隧穿磁電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)還沒有達(dá)到Fig.20Fig.20OurresearchworkonFe(100)/Co(100)/MgO(100)/Co(100)/Fe(100)MTJwasselectedastheCoverImageforAppliedPhysicsLetters(27October2008).第一性原理理論，F(xiàn)e/MgO界面處存在的界面態(tài)(interfaceresonancestates,IRS)是增加電子在反平行情況下的隧穿幾率、即降低隧穿磁電阻比值的一個可能原因。Belashchenko1MLAgFeMgO的界面，能有效降低IRS的作用并提高隧穿磁電阻比值。但對于磁性隧道結(jié)，Ag并不是很好的選擇，因?yàn)樗休^強(qiáng)的自旋軌道耦合并可能產(chǎn)生的自旋翻轉(zhuǎn)散射(spin-flipscattering)。而bcc結(jié)構(gòu)的Co卻是一個很好的選擇，因?yàn)镃o和Fe的晶格常數(shù)(Co:2.82?;Fe:2.86?)非常匹配，而且第一性原理計(jì)算已經(jīng)證明Co材料即使是作為電極材料，也能在MgO勢壘隧道結(jié)中獲得非常高的隧穿磁電阻比值。2008年我們通過利用Layerring--ostoker(Laye-R)方法的第一性原1)/Co/MgOCo/Fe結(jié)構(gòu)的隧道結(jié)材料進(jìn)行了第一性原理計(jì)算，證實(shí)了在O界面處加入數(shù)個原子層的超薄Co(001膜后，能夠有效的降低零偏壓下電子通過界面態(tài)隧穿的幾率，在保證平行電導(dǎo)基本不變的前提下，大大減小了反uasa中的發(fā)現(xiàn)。第一性原理的計(jì)算結(jié)果表明，界面處1個原子層的Co薄膜是最理想的e01)/e隧道結(jié)材料的磁電阻比值提高了3o層厚度的改變并不是單調(diào)變化的。0.5Lo層增強(qiáng)了界面態(tài)的效應(yīng)而1L的o卻能夠大大減小界面態(tài)隧穿效應(yīng)。隨著TMR2L的振蕩效應(yīng)。這一基于第一性原理的定量計(jì)算結(jié)果，對發(fā)展基于雙勢壘磁性隧道結(jié)和量子阱隧穿效應(yīng)的自旋電子學(xué)器件，特別是對今后研制能具有放大作用的自旋晶體管、實(shí)用型的磁器和磁邏輯等器件，具有重要參考價(jià)值。相關(guān)研究結(jié)果2008年在《應(yīng)用物理快報(bào)》志上[.Wangetal.,EfectofCoiterlayersin/emagnetictnneljunctions,App.Ph.t.3(2008)72501]，并且中的數(shù)據(jù)被選為當(dāng)期雜志的封面[CoverImaeforApplidPhysicstters(27r2008)]。含Cr插層Fe(001)/MgO/Fe中磁電阻振蕩效應(yīng)的第一性原理計(jì)算研基于單晶MgO(001)勢壘的磁性隧道結(jié)由于具有非常高的室溫隧穿磁電阻比值,已被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)硬盤讀頭(HDDreadhead)、磁隨機(jī)器(MRAM)的單元等方面,近年來經(jīng)過許多科技的不斷努力，MgO單晶單勢壘和MgO單晶雙勢壘磁性隧道結(jié)的室溫隧穿磁電阻比值(TMR)600%1000%TMR磁讀頭磁性隧道結(jié)中Cr(001)的插層效應(yīng)，具體結(jié)構(gòu)為Fe(001)/MgO/Cr(0～11ML)/Fe。我們層(2-)(2-)TM反變化的振蕩，最終導(dǎo)致隧穿磁電阻比值TR也呈現(xiàn)出兩個單原子層(2-)的周期振r插層對e電極中具有Δ能帶結(jié)構(gòu)對稱性的隧穿電子的勢壘作用而電導(dǎo)的振蕩則是由于Cr(001)層在)電極解釋了最近在實(shí)驗(yàn)中觀察到的磁性隧道結(jié)中C(001)插層所引起的R振蕩效應(yīng)，了Cr(001)插層中的反鐵磁序引起的界面散射是TM隧道結(jié)的性能提供了理論依據(jù)該研究成果已投稿物理評論卷上即將[InverseandoscillaionReffetin)/Mg/Cr/Fe,aZhang,andXFHanetal.,Phys.Rev.B82(2010)134449]圖圖21(a).鐵電極相互平行和反平行情況下，圖21(b).Fe(001)/MgO/Cr(x)/Fe隧道結(jié)中隧穿Fe(001)/MgO/Cr(x)/Fe隧道結(jié)中，隧穿電導(dǎo)磁電阻TMR隨Cr插層厚度的振蕩變化曲線。 圖為4-11層Cr插層的振蕩細(xì)節(jié)。Fe(001)/MgO/Fe單晶磁性隧道結(jié)Fe-MgO界面的隧道譜表電導(dǎo)隨偏壓的依賴特性相比較，我們發(fā)現(xiàn)，下界面除了Fe-MgO以外還有部分的果已在2010年物理評論B雜志上[G.X.Du,S.G.WangandX.F.Hanet圖22(a).4.2K下，MgO厚度為2.1nm圖22(a).4.2K下，MgO厚度為2.1nm的隧道圖22(b).4.2K下不同MgO厚度的隧道結(jié)平行結(jié)其平行態(tài)和反平行態(tài)的動態(tài)電導(dǎo)((a)和態(tài)電導(dǎo)在正(a)、負(fù)(b)偏壓下的變化曲線；其 中實(shí)線是通過第一性原理計(jì)算得到的具有磁性隧道結(jié)中磁子散射與磁性雜質(zhì)散射的解析和定量研在磁性隧道結(jié)的二階隧道譜中，小偏壓下有一個峰值，這個峰值的產(chǎn)生一般歸結(jié)為磁子激面磁子激發(fā)同時也被認(rèn)為是隧穿磁電阻效應(yīng)隨偏壓降低的主要原因。另外在零偏壓附近有一個很的峰（通常被叫做零偏壓異常，這通常被認(rèn)為是磁雜質(zhì)散射引起的。人們很自然的就會問，磁子散射和磁雜質(zhì)散射究竟有什么關(guān)系？這兩種機(jī)制是有所區(qū)別還是在本質(zhì)上是一致的？為了回答這些問題，本課題深入、全面的研究了磁性隧道結(jié)的二階隧道譜。我們首先把這兩種模型進(jìn)行了一定形式的修改以更方便加以比較。主要就是把原來模型中一些不必要的近似剔除，以得到更加解析的結(jié)果。我們的結(jié)論是，這兩種散射機(jī)制有很大的不同：磁子散射模型在隧道譜中并不表現(xiàn)出任值。在低溫區(qū)，磁eVEc處出現(xiàn)臺階。c激發(fā)的能量；磁雜質(zhì)散射模型中電導(dǎo)在零偏壓附近有一個對數(shù)奇點(diǎn)，從而導(dǎo)致隧道譜中有兩個很尖的峰值。我們測量了一系列不同類型的磁性隧道結(jié)。結(jié)果顯示：磁子散射和雜質(zhì)散射存在于所有的磁性隧道結(jié)。需要的是在反平行狀態(tài)，起主要作用的質(zhì)散射的貢獻(xiàn)分成三個態(tài)。這說明兩個鐵磁電極呈反鐵磁耦合狀態(tài)。我們同時比較了在不同磁場下磁子激發(fā)的能量。結(jié)果顯示，無論是氧化鎂勢壘還是氧化鋁勢壘的隧道結(jié)，其磁子激發(fā)能量都是隨著磁場的增加而增加的。我們對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了線性擬合，發(fā)現(xiàn)線性擬合的斜率基本上在10類似的。該研究成果即將在2010年物理評論B雜志上[H..ei,.圖23(a).CoeB/MgO/CoFeB磁性隧道圖23(a).CoeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)在不 圖23b).在K低溫下，氧化鎂勢壘和同溫度下的隧道譜（平行態(tài)）。實(shí)線為擬合曲 氧化鋁勢壘磁性隧道結(jié)磁子激發(fā)能量線擬合參數(shù)為E0=99m,Ec=114eV,△= 與外加磁場的關(guān)系隨著磁場的增加50meV. 磁子激發(fā)能量呈線性增加趨勢。Fe(001)/MgO/Fe/MgO/Fe磁性隧道結(jié)中的量子阱隧穿效應(yīng)研Korringa-Kohn-RostokerKKR)方法的第一性原理計(jì)算程序，定量計(jì)算研Fe(001)/MgO(001)/Fe(001)/MgO(001)/Fe(001)中的量子阱以及量子阱隧穿效應(yīng)計(jì)算給出隨著雙勢壘磁性隧道結(jié)中間Fe(001)(dnm)自由層d子阱隧穿下的高隧穿磁電阻效應(yīng)。如果實(shí)驗(yàn)上能出高質(zhì)量的MgO(001)雙勢壘單晶磁性隧道結(jié)，完全可以基于量子阱隧穿效應(yīng)去實(shí)現(xiàn)TMR超過1000%的室溫隧相關(guān)研究結(jié)果已在2006年8月25日的物理評論快報(bào)［Y.Wang,Z.Y.087210究焦點(diǎn)領(lǐng)域的、被全文收錄在2006年9月4日由物理和物理學(xué)會負(fù)責(zé)的VirtualJournalofNanoscaleScience&Technology雜志上其相關(guān)的發(fā)明專利MgO20091014日圖圖24.通過第一性原理計(jì)算給出在自旋閥型雙勢壘磁性隧道結(jié)Fe(001)/MgO(001)/Fe(001)/MgO(001)/Fe(001)中，通過改變中間自由Fe磁性層的厚度(從5到35個單原子層之間)，能夠存在的量子阱態(tài)以及量子阱隧穿效應(yīng)。圖25.最近，西班牙、法國和波蘭的三個實(shí)驗(yàn)小組聯(lián) 了單晶雙勢壘磁性隧道Fe(001)/MgO/Fe/MgO)/F并測試了其量子阱態(tài)以及量子阱 圖25.最近，西班牙、法國和波蘭的三個實(shí)驗(yàn)小組聯(lián) 了單晶雙勢壘磁性隧道Fe(001)/MgO/Fe/MgO)/F并測試了其量子阱態(tài)以及量子阱 最近西班牙、法國和波蘭的三個實(shí)驗(yàn)小組注意到我們的計(jì)算結(jié)果，他們聯(lián)合和研究了單晶雙勢壘磁性隧道結(jié)Fe(001)/MgO/Fe/MgO)/Fe，觀測了其中的量子阱態(tài)以及量子阱隧穿效應(yīng)［D.Herranzetal.,PhysicalReviewLetters105(2010)047207］，他們認(rèn)為初步驗(yàn)證了我們的計(jì)算和結(jié)果。這方面的實(shí)驗(yàn)還需要進(jìn)一步深入研究和自旋相關(guān)的庫侖阻塞磁電阻(CBMR)效應(yīng)研2006u研究發(fā)展出一種利用納米尺度的自旋電子學(xué)器件有效觀測自旋翻轉(zhuǎn)長度可達(dá)微米量級的新方法。即通過比較用同種材料（o-eo-e-Bl-O勢壘和相同工藝出的高質(zhì)量單勢壘和雙勢壘隧道結(jié)的隧穿磁電阻可以有效獲取自旋翻轉(zhuǎn)的信息，發(fā)現(xiàn)在4.2K溫度下、位于雙勢壘隧道結(jié)兩個雙勢壘層中間的u納米顆粒膜中，測出電子自旋翻轉(zhuǎn)的長度可達(dá)到１～2微米的量級，這個自旋翻轉(zhuǎn)的長度比u層本身厚度大千倍以上，并且這個自旋翻轉(zhuǎn)長度與聲子對電子的散射相關(guān)。這種準(zhǔn)確觀測和研究自旋翻轉(zhuǎn)長度的方法，對發(fā)展自旋電子學(xué)和設(shè)計(jì)自旋相關(guān)的各種器件等，具有重要的參考價(jià)值。相關(guān)研究結(jié)果于2006年9月8日已Z..Zeng,..,..Zhang,andZ.Zhangetal.,PhcalRviewters97(200)106605，并且被作為前沿研究焦點(diǎn)領(lǐng)域的、被全文收錄在2006年9月18日由物理和物理學(xué)會負(fù)責(zé)出irtualJournalofNanoscaleScience&chnology圖26.(a)當(dāng)兩個磁性量子點(diǎn)圖27. (a)H/0=1.1和H/0=2時，GH(V)/G0(V)的比值；圖26.(a)當(dāng)兩個磁性量子點(diǎn)圖27. (a)H/0=1.1和H/0=2時，GH(V)/G0(V)的比值；(b)實(shí)驗(yàn)結(jié)果反平行時每個點(diǎn)庫侖阻塞電和理論擬合的比較。其中實(shí)驗(yàn)選擇了一個LaSrMnO/壓為Vc；(b)平行時為 以及H=14T時，H/0=4.67有機(jī)復(fù)合磁性隧道結(jié)及其隧穿磁電阻特性研則取向的二維自組裝單分子膜（LB分子膜）其自旋相關(guān)隧穿過程迄今尚無透徹的研2006年我們初次了有機(jī)LB單分子膜勢壘復(fù)合隧道結(jié)的成功并在室溫下20%的隧穿磁電阻[TXWangetal.,Appl.Phys.Lett.88(2006)242505]的中國發(fā)明專利申請《用于磁性/非磁性/磁性多層薄膜的復(fù)合膜及其用途》于2008PCT公開狀態(tài)。國家專利局專利查新結(jié)果和鑒定結(jié)論為：“其新穎性、創(chuàng)新性和該研究成果于2008年11月17日已物理評論雜志上［D.P.Liuetal.,Magneticproximityeffectatthemolecularscale:First-principlescalculations,Phys.Rev.B78(2008)193307］，并且被選作為前沿研究焦點(diǎn)領(lǐng)域的，被全文收錄在2008年月1日由物理和物理學(xué)會負(fù)責(zé)的VirtualJournalofNanoscaleFig.28TMR偏壓依存關(guān)系和我們Fig.28TMR偏壓依存關(guān)系和我們LB膜分子構(gòu)型。納米環(huán)磁隨機(jī)器原理型器件的設(shè)計(jì)和研基于垂直電流寫入的磁隨機(jī)存取傳統(tǒng)的M連接，這使得M磁性薄膜單元制造面必須進(jìn)行特殊的表面拋平處理才能滿足磁性薄膜薄膜對其襯底表面平整度的要求，這也是增加工藝難度和制造成本的一個問題。生的磁場的共同作用來完成(如圖1)。29(a).29(b).MRAM關(guān)系的示意 一種布線方式示意圖29(c).圖29(d).采用垂直電流寫入方式的單元構(gòu)成單元陣列的MRAM，按照不同的布線方式分別為：(1)包含一條字線和一條位線的MRAM。其中位線布置在磁性薄膜單元的上方，與字線相互垂直，與磁性薄膜單元直接相連，并且與磁性薄膜單元的易磁化方向垂直。在MRAM陣(如圖29(b))。(2)包含一條字線和兩條位線(BL1、BL2)的MRAM。其中字線同時也是晶體管的柵極，兩條位線均布置在磁性薄膜單元的上方，位線BL1與字線相互垂直，并且與磁性薄膜單元的易磁化方向垂直，位線BL2與磁性薄膜單元直接相連，并且由一絕緣層與位線BL1相互(如圖29(c))(3)包含兩條字線(WL1WL2)和一條位線的MRAM。字線WL1同時也是晶體管的柵極，字線WL2與位線布置在磁性薄膜單元的上方，位線與字線WL2相互垂直，并且與磁性薄膜單元的易磁化方向垂直，字線WL2與磁性薄膜單元直接連接，并且由一絕緣層與位線相互(如圖該項(xiàng)采用垂直電流寫入的方法減少了MRAM工藝中金屬布線層以及接觸孔的數(shù)MRAM結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、制造工藝的難度及其成本。該項(xiàng)研究成果已獲得專利：US7,480,171B2(2009)。含金屬芯的納米環(huán)磁場驅(qū)動型磁隨機(jī)圖30(a).含金屬芯的橢圓環(huán)狀磁性多層 圖30(b).通過磁場驅(qū)動的含金屬芯納米環(huán)膜的MRAM 元件剖面圖和頂視圖。狀磁性多層膜的MRAM結(jié)構(gòu)單元示意圖。MRAM在讀寫方法上產(chǎn)生的一些技術(shù)困圖30(a).含金屬芯的橢圓環(huán)狀磁性多層 圖30(b).通過磁場驅(qū)動的含金屬芯納米環(huán)膜的MRAM 元件剖面圖和頂視圖。狀磁性多層膜的MRAM結(jié)構(gòu)單元示意圖。層膜中的施加的電流小于一個特定的低臨界值(如電流密度為10～102A/cm2時，其自由層的磁化狀態(tài)不會受到改變，從而實(shí)現(xiàn)MRAM的讀操作；由于在環(huán)狀含金屬芯磁性多控制環(huán)狀磁性多層膜的磁化狀態(tài)。當(dāng)金屬芯中施加的電流大于某個臨界值(如電流密度為102～106A/cm2)時電流的方向?qū)淖儹h(huán)狀磁性多層膜單元自由層的磁化狀態(tài)，MRAMMRAM的讀寫控制更加簡便，并降低了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、制造工藝難中國發(fā)明專利：ZL200610000191.7(2008)；ZL200610011168.8(2009)電流驅(qū)動型納米環(huán)磁隨機(jī)研制出一種基于《1晶體管1納米閉合型磁性隧道結(jié)》為基本結(jié)構(gòu)單元的新型磁隨機(jī)存取器Nano-RingMRAM這種新型設(shè)計(jì)擯棄了傳統(tǒng)的采用橢圓形磁性隧道結(jié)用100納米尺度下的磁矩閉合型磁性隧道結(jié)作為單元和正負(fù)脈沖極化電流直接驅(qū)比特層磁矩翻轉(zhuǎn)的工作原理，可以克服常規(guī)MRAM所的相對功耗高、密度低（1）比特單元之間的靜態(tài)和動態(tài)磁耦合，保證單元反轉(zhuǎn)過程中寫操作的均勻性和一致（4工藝過程，降低制造成本。該種新型原理型器件能為研制1Gbit/inch2以上密度和MRAM2006117日已通過組織的成果鑒定，鑒定認(rèn)為該項(xiàng)研究成果：“其性和新穎性顯該項(xiàng)成果2007年3月7日由中國公開［DemodevicesofanewMRAM.BulletinoftheChineseAcademyofSciences21(2)(2007)74，立刻受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和MRAM行業(yè)的廣泛關(guān)注，被EETimes和MRAM等多家國際專業(yè)；我們有關(guān)NanoringMRAM的圖案已被選為國際 磁隨機(jī)器專業(yè)的標(biāo)志性圖標(biāo)。隨后被國際推選為弗羅里達(dá)2007年11月5-9日舉辦的國際磁學(xué)會議上的特邀報(bào)告《The52ndAnnualConferenceonMagnetismandMagneticMaterials》(MMM2007)；有關(guān)Nano-ringMTJ和Nano-ringMRAM的研究成果已作為邀請文章，不僅在2008年5月份的應(yīng)用物理雜志上[NanoringMTJanditsapplicationinMRAMdemodeviceswithspin-polarizedcurrentswitching(Invitedpaper),X.F.Hanetal.,J.Appl.Phys.103(2008)07E933]，亞洲物理學(xué)會也邀請我們?yōu)閬喼尬锢韺W(xué)會會撰寫了該領(lǐng)域的研究進(jìn)展綜述文章，已在2008年12月份[X.F.HanetNano-scalepatternedmagnetictunneljunctionanditsdeviceapplications,AAPPS18(6)(2008)24-32.]。NanoringMRAM的設(shè)計(jì)方案內(nèi)容還被國際Springer出版的NanoscienceandNanotechnologyPrinciplesofNanomagnetism收錄(AlbertoP.Guimaraes著，Pages.180—182)。Fig.31Aprototype2×2MRAMdemodevicebasedononeNR-MTJandonetransistorstructurewithspinpolarizedcurrentswitching.Herethewordline,alsoasthegaFig.31Aprototype2×2MRAMdemodevicebasedononeNR-MTJandonetransistorstructurewithspinpolarizedcurrentswitching.Herethewordline,alsoasthegaine,playstheroleofaddressingeachbittogetherwiththecrossbitline.目前研制基于自旋極化電流驅(qū)動的高容量和高密度的磁隨機(jī)存取器M，和技術(shù)的研發(fā)方面也有了標(biāo)志性的研究工作和初步成果這在推動我國高科技信產(chǎn)業(yè)方面開展重大應(yīng)用基礎(chǔ)課題研究和促進(jìn)有自主知識的高科技成果轉(zhuǎn)化的前瞻性探索中在推動陸建設(shè)具有科技創(chuàng)新型的國家體制發(fā)展過程中該項(xiàng)應(yīng)用基研究向前走出了關(guān)鍵的第一步。一種基于自旋軌道耦合效應(yīng)的新型磁性隨機(jī)器(SOC-MRAM)的設(shè)眾所周知現(xiàn)存的磁隨機(jī)器(MRAM)主要基于兩種效應(yīng)一是通過磁場來翻轉(zhuǎn)磁矩，從而實(shí)現(xiàn)磁性單元高低電阻態(tài)的變化，實(shí)現(xiàn)比特”0”和’1”的讀寫；二是通過自旋極化電生的自旋轉(zhuǎn)移力矩(STT)來翻轉(zhuǎn)磁矩，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單元高低電阻態(tài)的變化。但是后者要想實(shí)現(xiàn)電流直接翻轉(zhuǎn)磁矩，需要高達(dá)1x108m2盡管通過采用納米環(huán)狀磁矩分布或者垂直磁矩分布的磁單元來設(shè)計(jì)6x106m2～6x105m用。最近，我們發(fā)現(xiàn)一種叫做Rashba效應(yīng)的自旋軌道耦合效應(yīng)，同樣可以用于翻轉(zhuǎn)磁矩。Rashba效應(yīng)表明：只要兩種材料的自旋軌道耦合強(qiáng)度不一樣，在這兩種材料相接觸的界面就會由于空間反演不對稱性產(chǎn)生Rashba自旋軌道耦合。這種強(qiáng)的耦合作用會產(chǎn)19A19B所示，這是本發(fā)明中典型的磁性隨機(jī)器單元設(shè)計(jì)，它的寫入線4e和讀出線4d分離，其中寫入線和讀出線在同一面內(nèi)。當(dāng)它進(jìn)行讀出操作時，電流經(jīng)讀出線4d垂直流經(jīng)磁性存元(6)MRAM其寫入高電流密度損壞，從而顯著提高使用。該項(xiàng)研究成果2009年我們已申請了中國發(fā)明專利申請[申請?zhí)枺?00910076048.X]。32(a).Rashba單元和基圖32(b).圖4B所示的磁性隨機(jī)器單[6bPt料，4cAl、Cu等或合金，6a為磁性自由層及其磁性隧道 一種讀和寫分離的磁隨機(jī)眾所周知，隧道磁電阻效應(yīng)(TMR)的一個重要的應(yīng)用就是磁性隨機(jī)存取器入，MRAM單元的極薄勢壘層容易受到損壞，從而影響器件的使用。單元結(jié)構(gòu)，可以有望減小器件的功耗，同時解決電流密度對MRAM工作影的問題。和現(xiàn)有技術(shù)相比，該項(xiàng)設(shè)計(jì)和發(fā)明的MRAM，其寫入電流密度不變，一般仍為鐵磁性薄膜的常規(guī)驅(qū)動電流密度：106～108A/cm2，但采用電阻非常小的全金屬巨33.一，右側(cè)是本發(fā)明實(shí)施例 單元的結(jié)構(gòu)剖面圖在該項(xiàng)設(shè)計(jì)和中國發(fā)明專利申請中，磁性單元的結(jié)構(gòu)包括兩個不可分割的部結(jié)構(gòu)。該項(xiàng)研究成果2009年我們已提交專利，正在申報(bào)中國發(fā)明專利申請。環(huán)狀多層量子點(diǎn)浮置柵由于基于Flash的非揮發(fā)性器存在的相對讀寫功耗高、讀寫速度慢該項(xiàng)設(shè)計(jì)擬有效解決現(xiàn)有的量子點(diǎn)浮置柵可能存在的漏電問題和量子點(diǎn)間耦合所造成的信息失效問題從而提供一種不會產(chǎn)生漏電現(xiàn)象和信息失效的可用于儲單元的鏤空狀單層或者多層量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)浮置柵結(jié)構(gòu)該種用于單元的多層量子息失效的問題且具有抗輻射能力該項(xiàng)研究成果2009年底我們有望獲得中國明專利[中國發(fā)明專利申請?zhí)枺?00710099175.2]。圖圖34.左側(cè)是 器的俯視剖面結(jié)構(gòu)圖。右側(cè)是該結(jié)構(gòu)的縱向剖面結(jié)構(gòu)4K納米環(huán)MRAM標(biāo)準(zhǔn)的研究進(jìn)課題一組與等半導(dǎo)體公司和磁電子器件加工企業(yè)合作調(diào)整了MRAM了1K、2K和4K納米環(huán)MRAM標(biāo)準(zhǔn)的研究進(jìn)程。目前，已在8英寸工藝線上，優(yōu)化出了外徑138納米、環(huán)寬50納米的SiN納米環(huán)掩膜；并通過外協(xié)委托加工，獲得了含有4KMRAMCMOS電路的第一批次共三片8英寸晶圓，每枚8英寸晶圓包含42個4KCMOS完整電路；并在該批次三片8英寸晶圓的CMOS電方，已委托加工沉積完AFM/CoFeB/Ru/CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)薄膜。第二58AFM/CoFeB/Ru/CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)薄膜也在異地目課題的研究以及在8英寸半導(dǎo)體生產(chǎn)線上開展1K、2K和4K演示的研制，奠定陣列式納米環(huán)磁性隧道結(jié)器件其高頻測量實(shí)驗(yàn)設(shè)備的搭在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，課題一組了德國Rohde&Schwarz公司提供的40GHz需的高頻信號的有效輸入與檢測。Rohde&Schwarz公司制造的高頻測量儀表設(shè)計(jì)先進(jìn)制造工藝成熟對環(huán)境的均勻性穩(wěn)定性和可控性好兩臺高頻儀表原總價(jià)格為204.6萬，為了進(jìn)一步促進(jìn)技術(shù)交流和合作研發(fā)，我們與德國的Rohde&Schwarz公司簽署了合作協(xié)議建立了聯(lián)合演示因此Rohde&Schwarz公司以價(jià)格118.6萬出售給我們這兩臺40GHz的高頻儀表設(shè)備。米環(huán)陣列實(shí)驗(yàn)樣品或者納米環(huán)MRAM演示器件的高頻特流輔助的驅(qū)動翻轉(zhuǎn)特性、號施加到陣列式樣品上而不會有明顯的衰減。另外，我們計(jì)劃通過高頻工程設(shè)計(jì)軟件HFSS來模擬陣列式樣品的高頻信號響應(yīng)，如圖（b）所示，進(jìn)一步設(shè)計(jì)出合理的共面波圖35.(a)Rohde&Schwarzwaveyze(ZVA40).(b)Designofco-帶變溫系統(tǒng)(5K300K)和磁場系統(tǒng)(H<5000Gs)的真空探針臺(具有雙直流DC和雙交流高頻AC探針臂及52針探針卡，造價(jià)164萬元)，由Janis公司制造，2010年7月完工并已運(yùn)抵，目前正在安裝調(diào)試。與網(wǎng)絡(luò)分析儀(圖35.(a)Rohde&Schwarzwaveyze(ZVA40).(b)Designofco-與國內(nèi)外同類研究工作相比的研究水平與創(chuàng)新(I)材料和性能優(yōu)化方首先,我們在基于Al-O勢壘的磁性隧道結(jié)材料方面，通過采用微米和亞微米環(huán)狀結(jié)構(gòu)，2006年出室溫隧穿磁電阻超過80%的Al-O勢壘的磁性隧道結(jié)(超過NVE200470%-TMRAl-O磁性隧道結(jié))Al-O勢其次，我們在國際上還首先設(shè)計(jì)和出了環(huán)壁最窄的、尺寸最小的100納米環(huán)狀磁性隧道結(jié)。上述研究成果表明目前物理所在磁性隧道結(jié)的納米技術(shù)探索和納米我們在基于Fe(001)/MgO(001)/Fe(001)單晶磁性隧道結(jié)的材料方面，通過與英國牛津大學(xué)合作，采用傳統(tǒng)微米和亞微米長方形或橢圓形結(jié)構(gòu)，出室溫隧穿磁電阻為170%的單晶磁性隧道結(jié)，這樣的結(jié)果達(dá)到國際同類材料的先進(jìn)水平（AIST,我們在基于準(zhǔn)單晶勢壘和非晶CoeB鐵磁合金的CoeB/MgO(001)/CoFB磁性隧道結(jié)的材料方面，采用傳統(tǒng)微米和亞微米長方形或橢圓形結(jié)構(gòu)，出室溫隧穿磁電阻為130%至260的準(zhǔn)單晶勢壘)磁性隧道結(jié)，這個結(jié)果與東學(xué)2008年創(chuàng)造的)勢壘贗自旋閥室溫磁電阻604%[.Ikeaelal.Appl.Phys.t.93(2008)082508])單晶和準(zhǔn)單晶磁性隧道結(jié)材料的研究不是本課題的研究重點(diǎn)和研究內(nèi)容，但我們會關(guān)注和適當(dāng)切入這個材料體系的研究，以把握國際上整個磁電阻材料和器件領(lǐng)域里的今后發(fā)展趨勢和重要方向。屬全單晶外延La0.7Sr0.3MnO3(100)/SrTiO3(100)/La0.7Sr0.3MnO3(100)磁性隧道結(jié)，觀測到了明顯的電導(dǎo)阻塞效應(yīng)，并在4.2K觀測到超過10000%的巨大磁電阻效應(yīng)。該磁電阻我們采用電化學(xué)沉積方法出了十種鐵磁性納米管材料[Adv.Mate.21(2009)器件物理研究和計(jì)算模擬方Al-OMgO(001)單晶勢壘兩大磁性隧道結(jié)材料體系中的物理和20061066052006年計(jì)算和模擬給出了單晶雙勢壘磁性隧道結(jié)Fe(001)/MgO(001)/Fe(001)/0872102007年我們和合作者分別在直徑為100nm、環(huán)寬為30nm的自旋閥釘扎型以及三情況，定量和自洽地計(jì)算了這些納米環(huán)磁性隧道結(jié)的磁電性質(zhì)[PRB77(2008)224432]，為國際上納米環(huán)隧道結(jié)的廣泛應(yīng)用以及為納米環(huán)MRAM的進(jìn)一步研發(fā)，對進(jìn)一步減小我們還利用第一性原理計(jì)算研究了單晶MgO(001)勢壘磁性隧道結(jié)磁性、反鐵磁性和非磁性極薄金屬插層(M=Co,Cr,andMg)和有機(jī)分子勢壘等對磁電阻等自旋輸運(yùn)性質(zhì)的調(diào)控效應(yīng)[APL93(2008)172501；PRB82(2010)117037PRBproof；PRB82(2010)054405；PRB78(2008)193307][PRB(2010