吕杰 方贺男 吕涛涛 孙星宇

(南京邮电大学电子与光学工程学院, 南京 210023)

MgO基磁性隧道结是自旋电子器件研究的热点问题, 其温度特性和偏压特性在实际应用中极其重要.因此, 亟需在理论上计算得到MgO基磁性隧道结的温度-偏压相图.本文构建了适用于单晶势垒层磁性隧道结的理论.该理论将单晶势垒层视作周期性光栅, 利用光学衍射理论处理势垒层对隧穿电子的衍射, 因此可以很好地计入隧穿电子波的相干性.根据此理论, 同时计入温度和偏压的影响计算了MgO基磁性隧道结的温度-偏压相图.理论结果表明, 通过调节MgO基磁性隧道结的铁磁电极半交换劈裂能D、化学势µ以及势垒层周期势v(Kh)可以优化其温度特性和偏压特性.该结果为MgO基磁性隧道结的应用提供了坚实的理论基础.

1 引 言

在上世纪90年代, 磁性隧道结的势垒层大多选取非晶Al2O3来制备.然而, 由于非晶Al2O3势垒层中存在严重的无序散射, 所以很大程度上抑制了磁性隧道结隧穿磁阻(tunneling magnetoresistance, TMR) 的大小.尽管很多课题组对Al—O结的物理结构等因素进行了优化, 使得Al—O结低温下的TMR可以达到107%[1], 但是仍然难以满足下一代磁存储器件的要求.2001年, Butler和Mathon等利用第一性原理对基于单晶MgO势垒层和Fe电极的磁性隧道结进行了理论计算, 预测其可能实现超过1000%的TMR.随后, 人们对单晶MgO基磁性隧道结展开了广泛的实验研究.2004年, Yuasa等[2]在室温的Fe/MgO/Fe磁性隧道结中实现了180%的TMR.2007年Lee等[3]在CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道结中将TMR在室温下提升至604%, 低温下提……