基于工艺偏差的电压调控磁各向异性磁隧道结电学模型及其在读写电路中的应用

电压调控磁各向异性磁隧道结(voltage controlled magnetic anisotropy magnetic tunnel junction, VCMA-MTJ)作为磁随机存储器(magnetic random access memory, MRAM)的核心器件,具有读写速度快、功耗低、与CMOS工艺相兼容等优点,现已得到国内外学者的广泛关注.然而随着VCMA-MTJ尺寸不断缩小、MRAM存储容量不断增大,工艺偏差对MTJ性能的影响变得越来越显著,甚至会引起VCMA-MTJ电路的读写错误.本文在充分考虑磁控溅射薄膜生长工艺中自由层厚度偏差(γ_(tf))、氧化势垒层厚度偏差(γ_(tox))以及离子束刻蚀工艺中由侧壁再沉积层引入的刻蚀工艺稳定因子(α)偏差影响的情况下,给出了基于工艺偏差的VCMA-MTJ电学模型,并将该模型应用到VCMA-MTJ读写电路中,研究了工艺偏差对上述电路读写错误率的影响.结果表明:当γ_(tf)≥13%, γ_(tox)≥11%时, VCMA-MTJ将无法实现磁化状态的有效切换;当α≤0.7时, VCMA-MTJ磁化方向的进动过程变得不稳定.进一步地, VCMA-MTJ电路的读错误率和写错误率也将随着工艺偏差的增大而增大.研究表明,通过增大外加电压(V_b)和减小外加电压脉冲宽度(t_(pw))可有效降低VCMA-MTJ电路的写错误率,增大电路的读驱动电压(V_(dd))可有效降低VCMA-MTJ电路的读错误率.     

磁随机存储器中垂直电流驱动的磁性隧道结自由层的磁化翻转

在基于磁性隧道结(Magnetic Tunneling Junction，MTJ)的磁随机存储器(Magnetoresistantive Random Access Memory，MRAM)中利用通过MTJ的垂直电流，实现信息写入的新方法，同时给出了基于此新方法的一种新的MRAM结构和驱动原理图，并分析了它的读和写操作的可行性具体过程. 关键词： 垂直电流 磁性隧道结 磁随机存储器     

CoFeB/AlOx/Ta及AlOx/CoFeB/Ta结构中垂直易磁化效应的研究

本文详细研究了在不同氧化层和铁磁层厚度情况下, 底层CoFeB/AlO_x/Ta结构和 顶层AlO_x/CoFeB/Ta结构中的垂直磁各向异性. 在底层CoFeB/AlO_x/Ta结构中观察到了垂直磁化的磁滞回线, 证明了其垂直易磁化效应的存在; 而在顶层AlO_x/CoFeB/Ta结构中却没有观察到类似的磁滞回线. 对这种对称结构中的非对称现象进行了分析. 研究还发现不同的氧化层和铁磁层厚度均会影响层间界面相互作用的强度, 从而导致结构的垂直磁化曲线矫顽力大小发生改变. 这项研究将对基于AlO_x氧化层垂直磁隧道结的研制具有重要的意义. 关键词： 垂直磁各向异性 磁隧道结 随机存储器     

高磁电阻磁性隧道结的几种微制备方法研究

利用金属掩模法优化了制备磁性隧道结的实验和工艺条件，金属掩模的狭缝宽度为100 μm. 采用4 nm厚的Co₇₅Fe₂₅为铁磁电极和10或08 nm厚的铝氧化物 为势垒膜， 直接制备出了室温隧穿磁电阻（TMR）为30%—48％的磁性隧道结，其结构为Ta(5 nm)/Cu(25 nm)/Ni₇₉Fe₂₁(5 nm)/Ir₂₂Mn₇₈(10 nm)/ Co₇₅Fe₂₅ (4 nm)/Al(08 nm)-O/Co₇₅Fe₂₅(4 nm)/Ni₇₉Fe ₂₁(20 nm)/Ta(5 nm).同时，利用刻槽打孔法和去胶掀离法两种光刻技术并结合Ar离子束刻蚀及化学反应刻 蚀，制备出面积在4 μm×8 μm—20 μm×40 μm、具有室温高TMR和低电阻的高质量磁性 隧道结.300 ℃ 退火前后其室温TMR可分别达到22% 和50%.研究结果表明，采用光刻中的刻 槽打孔或去胶掀离工艺方法制备的小尺寸磁性隧道结，可用于研制磁动态随机存储器和磁读 出头及其他传感器件的磁敏单元. 关键词： 磁性隧道结 隧穿磁电阻 金属掩模法 光刻法     

La2/3Ca1/3MnO3/Eu2CuO4/La2/3Ca1/3MnO3磁性隧道结的制备与表征

采用磁控溅射，紫外线光刻和离子束刻蚀制备了La_2/3Ca_1/3MnO₃/Eu₂CuO₄/La_2/3Ca_1/3MnO₃磁性隧道结.通过对获得的磁性隧道结的I-V特性测量，发现非线性的I-V特性，显示结样品的隧穿特性.有趣的是发现在电极材料La_2/3Ca_1/3MnO₃的金属-绝缘体转变温度(Tp)以下，I-V曲线出现一个跳变.随着温度降低，开始出现跳变的临界电流增大，但是跳变都发生在同样的电压下～209mV.当电流增大或减小在跳变点附近出现回滞.这一跳变只发生在铁磁金属态，表明这是一个磁性相关联的效应，可能对应一种新的磁性开关过程.虽然，目前对这一现象背后的物理机理还不清楚，但是，这一现象有可能在未来自旋电子学器件方面具有潜在的应用价值. 关键词： 庞磁电阻 磁性隧道结 开关效应     

磁存储器环形带切口结构自由层磁化反转的微磁模拟

针对基于磁性隧道结的赝自旋阀磁随机存储器, 使用带斜面切口环形结构自由层, 抛弃采用厚度改变矫顽力的方式, 降低了磁性隧道结的面积电阻, 改进了垂直电流磁随机存储器. 通过集成工艺中淀积的二次效应生成磁环的切口, 利用微磁学方法计算分析了自由层的磁化反转特性, 结果表明该模型具有低串扰、低面积电阻、高磁阻率以及较强的抗干扰性能. 关键词： 自由层结构 磁化翻转 微磁 VMRAM     

退火对IrMn基磁隧道结多层膜热稳定性的影响

采用磁控溅射方法制备了结构为IrMn/CoFe/AlO_x/CoFe的磁性隧道结多层膜,样品置于真空磁场中进行退火处理. 将在不同温度退火的磁隧道结结构多层膜置于负饱和场中等待,研究退火温度对样品热稳定性的影响. 结果表明:退火提高了多层膜反铁磁层的单轴各向异性能,增加了样品的交换偏置;随着负饱和场等待时间的延长,被钉扎层的磁滞回线向正场偏移,交换偏置单调减小,但退火减弱了这种趋势. 关键词： 磁隧道结 交换偏置 磁化反转     

多晶Mn1-xCux(0.1≤x≤0.3)合金的磁诱发应变

采用X射线衍射分析、显微形貌观察、差示扫描量热法、标准电阻应变计法等实验方法,研究了室温下多晶Mn_1-xCu_x(0.1≤x≤0.3,原子分数)合金在低磁场中的磁诱发应变性能.结果表明,Mn_1-xCu_x合金经过长时间的固溶处理,在冷却过程中会出现fcc(γ)→fct(γ’)马氏体相变,形成(γ+γ 关键词： 磁诱发应变 MnCu合金 马氏体相变     

磁性多层膜磁特性的表面效应

利用Monte-Carlo方法和转移矩阵法研究了具有不同表面交换耦合J_s和薄膜厚度 磁性多层 膜的表面和尺寸对磁相变的影响.模拟结果表明，系统的相变温度随薄膜层数的变化取决于J_s/J(J为体内交换耦合)，当J_s/J大于某一临界值时，由于表面磁 有序先于体内磁有序 ，系统的相变温度随薄膜层数的增多而降低，反之，表面磁无序可与体内磁有序共存，系统 的相变温度随薄膜层数的增多而升高；当J_s/J较小时，随J_s增大 ，系统的居里温度缓慢 升高，趋近于体内相变温度，而当J_s/J较大时，随J_s增大，系统的 居里温度 呈线性升高.模拟结果与用转移矩阵法推导出的结果相当符合，且很好地解释了实验事实. 关键词： 磁星多层膜 交换耦合 Monte-Carlo模拟 转移矩阵法     

金属间化合物DyMn2Ge2的自发磁相变和场诱导的磁相变

在10—800K的温度范围内用X射线衍射方法测量了DyMn₂Ge₂化合物的晶格常数与温度的变化关系,观察到高温时DyMn₂Ge₂由顺磁状态到反铁磁状态的自发磁相变伴随着晶格常数a的负的磁弹性异常现象.在4.2K—200K的温度范围内测量了DyMn₂Ge₂的交流磁化率.在交换相互作用的分子场模型近似下,从理论上分析讨论了DyMn₂Ge₂的低温自发磁相变和场诱导的磁相变.计算了DyMn₂Ge₂单晶的磁化强度与温度的变化关系以及不同温度下外磁场沿晶轴c方向时的磁化曲线.理论分析和计算结果表明,温度低于33K时在DyMn₂Ge₂中观察到的场诱导的一级磁相变为由亚铁磁状态(Fi)到中间态(IS)相变. 关键词： 稀土-过渡族金属间化合物 磁结构 磁相变     

垂直磁各向异性L10-Mn1.67Ga超薄膜分子束外延生长与磁性研究

具有超强垂直磁各向异性的L1₀-Mn_xGa薄膜由于其与半导体材料结构及工艺的高度兼容性而受到广泛关注, 其超高垂直磁各向异性能和极低的磁阻尼因子预示着L1₀-Mn_xGa薄膜在高热稳定性自旋电子学器件中将发挥重要作用. 而L1₀-Mn_xGa超薄膜对于降低L1₀-Mn_xGa基垂直磁各向异性隧道结中的磁矩翻转临界电流密度有着重要的意义. 本文采用分子束外延的方法, 在半导体GaAs衬底上成功制备出了一系列不同厚度的L1₀-Mn_1.67Ga薄膜, 厚度范围为1-5 nm. 生长过程中反射式高能电子衍射原位检测以及X射线衍射结果均表明了其良好的单晶相. 磁性测量结果表明, 厚度在1 nm以上的L1₀-Mn_1.67Ga薄膜均可以保持垂直磁各向异性特征, 厚度为5 nm的L1₀-Mn_1.67Ga薄膜的垂直磁各向异性能可达到14.7 Merg/cm³. 这些结果为基于L1₀-Mn_1.67Ga的垂直磁各向异性隧道结在自旋转移扭矩驱动的磁随机存储器等低功耗器件的集成及应用提供了重要的实验支持.     

过渡金属元素掺杂对磁铁矿磁矩及磁各向异性的调控

磁性Fe₃O₄纳米粒子在纳米医学领域展现出巨大的应用前景.饱和磁化强度和磁各向异性对于Fe₃O₄纳米粒子在药物输送和磁热疗中的应用至关重要.在此,通过密度泛函理论计算,仔细研究了3d和4d过渡金属元素的掺杂对Fe₃O₄磁矩及磁各向异性的影响.结果表明, Fe₃O₄中Zn和Cd的掺杂会增大总磁矩,而其他3d和4d过渡金属元素的掺杂会降低总磁矩.有趣的是, Cd的掺杂也会大大增大磁各向异性.本文结果表明,掺杂Cd是提高Fe₃O₄作为药物输送和磁热疗材料性能的可行方法.     

TMR与GMR传感器1/f噪声的研究进展

隧道结磁阻(TMR) 传感器及巨磁阻(GMR) 传感器的1/f噪声在低频段噪声功率密度较大, 是影响其低频下分辨率和灵敏度的主要噪声形式. 本文详细介绍了近年来TMR传感器及GMR传感器1/f噪声的特点、来源、理论模型、检测方法及降噪措施等方面的研究进展, 并就隧道结磁阻传感器1/f噪声的物理模型进行了详细解释. 通过纳米模拟软件Virtual NanoLab对不同MgO厚度的Fe/MgO/Fe型磁性隧道结(MTJ) 进行了隧穿概率和TMR变化率的模拟计算, 得到保守估计与乐观估计的TMR变化率, 分别为98.1%与10324.55%, 同时通过MTJ的噪声模型分析了MgO厚度对TMR传感器噪声的影响. 制备了磁屏蔽系数大于10000的磁屏蔽筒并搭建了磁阻传感器1/f噪声的测试平台, 通过测试验证了磁屏蔽系统对环境磁场具有较好的屏蔽效果, 为噪声检测提供了稳定的磁场空间. 最后分析了TMR与GMR中各种因素对传感器噪声的影响, 提出了影响MTJ传感器1/f噪声的因素及一些降噪措施.     

Nd2Fe14B单晶磁畴结构随厚度的变化

观察了Nd₂Fe₁₄B单晶磁畴结构随试样厚度的变化。发现试样厚度存在某个临界值L₀,小于此值时,在垂直于e轴表面上的畴纹呈迷宫形,大于此值时,迷宫形条状畴在加宽的同时,其表面出现按一定间隔分布的斑点,此即与基畴反向的锥形畴底部,随试样厚度的进一步增加,基畴宽度和锥形反向畴尺寸也随之增大,后者的数目也增多,甚至出现多重锥形畴结构,本文着重讨论了锥形畴的形成机制,并估算了锥形畸形成所对应的临界厚度L₀。此外,根据实验结果,计算了Nd₂Fe₁₄B相的畴壁能。 关键词：     

TbDyFe薄膜对三明治膜巨磁阻抗效应的影响

将600℃退火后的超磁致伸缩材料(Tb0.27Dy_0.73)_0.3Fe_0.7薄膜作为Ni_80.2Fe_14.1Si_0.2Mn_0.4Mo_5.1三明治膜的基底，制备出四层膜.结果表明：附加的磁致伸缩并没有减小材料的巨磁阻抗(GMI)效应，而由于磁场下磁致伸缩材料的应力效应影响了三明治膜中的各向异性场，使三明治膜的GMI效应增大了4倍.再将制备态的四层膜在280℃下真空退火，退火态四层膜也增大了三明治膜的GMI效应，但可能由于磁致伸缩向磁性层中的扩散，其GMI效应相对于制备态四层膜则有所降低. 关键词： 巨磁阻抗(GMI)效应 三明治膜 TbDyFe薄膜 各向异性场     

一级磁结构相变材料Mn0.6Fe0.4NiSi0.5Ge0.5和Ni50Mn34Co2Sn14的磁热效应与磁场的线性相关性

磁熵变（△S_M）与磁场（μ₀H）的相关性已在很多二级相变材料中被研究并报道,但一级相变材料的磁热效应与磁场相关性还少有报道.本文在具有一级磁结构相变的Mn_0.6Fe_0.4NiSi_0.5Ge_0.5材料中研究发现△S_M与μ₀H存在线性相关性,并通过麦克斯韦关系式的数值分析详细讨论了这一线性相关性的来源.同时,进一步发现在低磁场时,△S_M近似正比于μ₀H的平方.该线性相关性同样在一级磁结构相变Ni₅₀Mn₃₄Co₂Sn₁₄材料中得到了印证.但由于一级磁弹相变LaFe_11.7Si_1.3材料相变温度具有更强的磁场依赖性,不具有△S_M的线性相关性,因此,本研究表明,当磁结构相变材料的相变温度具有弱磁场依赖性时,△S_M与μ₀H具有线性相关性.进而,在磁场未达到相变饱和磁场以下,利用△S_M与μ₀H的线性相关性可以有效推测更高磁场下的△S_M.     

正常金属-铁磁绝缘层-d波超导结中的磁散射对量子输运的影响

在正常金属-铁磁绝缘层-d波超导隧道结中,考虑到铁磁绝缘层的粗糙界面散射和磁散射效应,运用Bogoliubov-de Gennes(BdG)方程和Blonder-Tinkham-klapwijk(BTk)理论模型,计算隧道结中的准粒子传输系数和微分电导.计算表明：1)粗糙界面散射和磁散射都能压低零偏压电导峰,其中磁散射能使零偏压峰滑移,而粗糙界面却能阻止零偏压峰的滑移,且随着两种散射强度的逐渐增大,又能使零偏压电导峰渐渐变为凹陷;(2)当铁磁层离开超导表面有若干相干长度时,隧道谱中将呈现一些子能隙谐振峰. 关键词：     

顺磁性La2/3Sr1/3MnO3层对Bi0.8Ba0.2FeO3薄膜多铁性能的影响

界面效应在提升异质结构材料的多铁性能方面有着重要的作用. 本文采用脉冲激光沉积技术在SrTiO₃(STO)基片上制备了Bi_0.8Ba_0.2FeO₃(BBFO)/La_2/3Sr_1/3MnO₃(LSMO)异质结. X-射线衍射图谱表明异质结呈现单相外延生长, 利用高分辨透射电镜进一步证实了BBFO为四方相结构. X-射线光电子能谱证实异质结中只存在Fe³⁺ 离子, 没有产生价态的变化, 揭示了异质结铁电和铁磁性的增强与BBFO/LSMO的界面有关. 同时, 测试了磁电阻(MR)和磁介电(MD), 当磁场强度为0.8 T, 温度为70 K时, MR约为-42.2%, MD约为21.2%. 并且发现在180 K时出现磁相的转变. 实验结果揭示出异质界面效应在提升材料的多铁性和磁电耦合效应方面具有超常的优点, 是加快多铁材料实际应用的有效途径.     

面内场对三类硬磁畴的影响

采用直流偏场整形的方法,研究了面内场对石榴石磁泡薄膜中三类硬磁畴的影响.得到面内场作用下三类硬磁畴畴壁中垂直布洛赫线(VBL)是逐步解体的,而且三类硬磁畴具有相同的临界面内场范围［H¹_ip,H²_ip］,其中H¹_ip是硬磁畴中VBL开始丢失时的临界面内场,H²_ip是VBL完全丢失 关键词： 硬磁畴 整形 垂直布洛赫线     

反铁磁耦合硬磁-软磁-硬磁三层膜体系的不可逆交换弹性反磁化过程

采用一维原子链模型研究了反铁磁耦合的硬磁/软磁/硬磁三层膜体系的反磁化过程. 研究结果表明,当考虑了软磁层的磁晶各向异性能后,软磁层厚度和界面交换耦合强度的改变都有可能导致软磁层的交换弹性反磁化过程由可逆过程转变为不可逆过程. 对软磁层很薄的体系,其反磁化过程是典型的可逆交换弹性反磁化过程. 然而,当软磁层厚度超过某一临界厚度t_c时,反磁化过程转变为不可逆的交换弹性反磁化过程. 软磁-硬磁界面交换耦合强度A_sh对反磁化行为也有很大的影响. 对于软磁层厚度小于临界厚度t_c的体系,也存在一个临界界面交换耦合强度A_sh^c. 当A_sh大于A_sh^c时,软磁层的反磁化过程是可逆的交换弹性反磁化过程;而当A_sh小于A_sh^c时,这一过程变为不可逆. 给出了体系的可逆与不可逆交换弹性反磁化过程随软磁层厚度和界面交换耦合强度变化的磁相图. 同时还研究了偏转场随软磁层厚度的变化关系. 关键词： 反铁磁耦合三层膜 交换弹性反磁化过程 反磁化机理 磁相图