磁性纳米结构材料的制备及其磁电阻效应

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磁性纳米结构材料的制备以及磁电阻效应的研究贯穿于自旋电子学的建立和发展，同时基于磁性纳米结构材料的自旋电子学器件已经促使了信息产业飞跃式的发展。新型磁性纳米结构材料中纳米尺度下的新奇物理效应及其潜在应用是当前自旋电子学的研究热点。利用微纳米加工技术制备了以下新型磁性纳米结构材料，并通过对其磁电阻相关性质的测量，研究了相关物理效应并说明了这些新型磁性纳米结构材料在磁性随机存储器、高频振荡器、磁逻辑器件以及磁敏传感器等自旋电子学器件中广泛的应用前景。本论文的主要研究成果如下：1、利用电子束直写系统(EBL)等微纳米加工手段成功的制备了外径100-800 nm，环壁宽25-30 nm的纳米环状三明治和自旋阀型磁性隧道结(NR-MTJs)，以及成功制备了长轴约为120 nm、短轴约60 nm、壁宽25 nm的纳米椭圆环形磁性隧道结(NER-MTJ_s)。利用自旋极化的脉冲电流实现了NR-MTJs和NER-MTJ_s的磁化翻转，目前使用400微安至650微安脉冲极化电流可以直接驱动其自由层的磁矩翻转，进行信息的写操作。利用微磁学模拟以及电导模型说明了磁化翻转来自于自旋转移力矩效应(STT)，而电流诱导的环形奥斯特磁场对磁化翻转起到辅助作用。通过与纳米实心圆、纳米实心椭圆相对比，发现NER-MTJs具有小的驱动电流和功耗。基于STT效应驱动的NR-MTJs和NER-MTJs有望实现与半导体晶体管工艺相匹配的临界电流密度，推进MRA产业化的进程。2、利用超高真空磁控溅射设备生长了高质量磁性NiFe薄膜以及巨磁电阻多层膜，并利用EBL等微纳米加工技术，将其制备成具有高对称性的外直径为800 nm，壁宽为30 nm的圆环形磁性纳米结构，并完成对磁性圆环的金属测量电极的精准套刻。通过对单个磁性纳米圆环的磁电阻测量，研究了磁性纳米环中磁峙排布与磁电阻的关系以及纳米环中磁矩在外磁场下的动力学过程，可以通过改变磁场的角度，对磁畴的位置进行调控。研究了在高频信号驱动下畴壁移动动力学过程以及由此引起的磁电阻变化和高频激发现象。利用磁畴壁的单摆模型，很好的解释了磁畴壁在外加高频信号驱动下的振荡频率在200MHz左右，与实验上观测到的谐振频率一致。3、采用微加工工艺，在磁性隧道结的项电极上部沉积了100纳米厚的SiO_2作为绝缘层，制备了新型电场驱动的磁性隧道结，并实现了在不同磁性隧道结中可重复的电压轴助的磁化翻转。当在电压极与底电极之间施加电压时，在磁性隧道结中几乎没有电流通过，磁性隧道结的自由层受到电场的作用，自由层磁性村料与势垒界面局域3d电子的构型发生改变，以至磁各向异性发生改变；另外电压产生的非绝热自旋移力钜正比于外加电压的平方，也对磁矩改变起到辅助作用，最终实现了在一定偏压下自由层磁矩的翻转。4、制备了具有磁性CoFeB纳米颗粒自由层的AIOx双势垒磁性隧道结，发现了反常的隧穿磁电阻随温度和偏压的依赖关系，并提出了一种自旋相关的库仑阻塞磁电阻效应对实验进行了很好的解释。理论模型指出势垒中量子点之问的耦合导致了自旋有关的库仑阻塞临界电压。同时该理论还能解释近来实验上发现的具有磁性颗粒膜的双势垒磁性隧道结中1000%以上的磁电阻效应，并预言这种基于自旋相关库仑阻塞的磁电阻效应可以通过巨磁电阻、隧穿磁电阻、庞磁电阻和聚合物间隔层的巨磁电阻甚至非磁性电极体系中，由磁性颗粒间的耦合而导致库仑阻塞电压具有强烈自旋相关依赖性而产生巨大磁电阻。