磁性自旋阀和隧道结的制备及相关性能研究

论文摘要

当前,由于其广泛的应用前景,自旋电子学领域的研究正在蓬勃发展。本文的工作就是围绕着自旋电子学中的磁性自旋阀,磁性隧道结和交换偏置作用等相关问题展开的,主要包括三个方面:第一,设计出了一种新型的L10FePt自旋阀;第二,制备出了高性能的MgO隧道结;第三,研究了[Co/Ni]多层膜和FeMn的反铁磁耦合系统中的双向偏置现象。正文的主要内容如下:第一章简单介绍了自旋电子学的基本理论以及磁性自旋阀和磁性隧道结的基本原理,结构,材料和应用。第二章介绍了样品的制备和测量方法。第三章中我们设计了一种利用L10 FePt作为钉扎层的新型自旋阀。该新型自旋阀中采用了FePt/CoFe/Ru/CoFe的人工反铁磁钉扎结构,参考层翻转场达到1.8 kOe,超过具有同样钉扎结构的以MnIr为钉扎层的自旋阀。GMR信号也达到了7.04%,与MnIr自旋阀相近。第四章中我们成功制备了高质量的MgO隧道结。该全结构MgO隧道结最高TMR信号达到188%,赝MgO隧道结最高TMR信号达到245%,同一个样品中不同隧道结单元的TMR信号上下浮动不超过15%,TMR信号下降到最大值一半时的偏置电压Vhalf为560 mV左右。这些参数表明,我们的MgO隧道结具有较好均匀性和较高TMR信号,能够在较大电压范围下工作,是性能优异的磁性隧道结器件。第五章中我们研究了交换偏置作用中的一种独特的双向偏置现象。在分析了具有垂直磁各向异性的[Co/Ni]多层膜和FeMn之间的双向偏置现象出现的条件后,我们对这种现象的原因给出了解释。我们分析认为双向偏置建立在FeMn的沉积过程中,是由于制备态的[Co/Ni]n中各个磁畴磁矩方向的随机排布导致的。最后,我们通过一系列实验,验证了该分析结果。第六章为全文的总结和展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 自旋电子学基本理论
• 1.1.1 自旋相关散射理论
• 1.1.2 自旋相关隧穿理论
• 1.2 交换偏置作用
• 1.3 磁性自旋阀和磁性隧道结的基本结构和工作原理
• 1.4 磁性自旋阀和磁性隧道结的材料
• 1.5 磁性自旋阀和磁性隧道结的应用
• 1.6 小结
• 第二章 样品的制备和测量
• 2.1 样品的制备
• 2.1.1 薄膜制备
• 2.1.2 微加工工艺
• 2.1.3 磁场热处理
• 2.2 样品的测量
• 2.2.1 磁性测量
• 2.2.2 磁电阻测量
• 2.2.3 表面形貌和薄膜结构测量
• 0相FePt自旋阀的研究'>第三章 L1₀相FePt自旋阀的研究
• 3.1 研究背景介绍
• 3.2 样品的制备
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 调整钉扎层性质
• 3.3.2 三种钉扎方式的比较
• 3.3.4 热稳定性研究
• 3.4 小结
• 第四章 MgO磁性隧道结的研究
• 4.1 研究背景介绍
• 4.2 样品的制备
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 MgO磁性隧道结结构
• 4.3.2 MgO势垒层溅射条件的选择
• 4.3.3 MgO势垒高度
• 4.3.4 MgO隧道结性质
• 4.3.5 退火和CoFeB的结晶
• 4.3.6 CoFeB/MgO/CoFeB赝隧道结
• 4.4 小结
• 第五章 垂直交换偏置系统中的双向偏置现象
• 5.1 研究背景介绍
• 5.2 样品制备
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 双向偏置出现的条件
• 5.3.2 双向偏置的成因分析及验证
• 5.4 小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 硕士期间已发表论文
• 致谢