磁隧道结中的自旋过滤效应

张一彬

（西南大学，重庆400715）

电子不仅是电荷的载体，而且是自旋的载体。利用电子自旋进行信息传输的自旋电子学是最具前景的研究领域。在自旋电子学器件中，由于自旋相干效应，信息的传输会更加迅速；此外，自旋电路中仅存在自旋电流而没有电荷移动，大幅降低了热量的产生和能量的耗散。因此，自旋电子学器件在磁记录读出磁头磁传感器、磁性随机存储器及量子计算机等领域有着广阔的应用前景[1]。

其中，MTJs 是最热门的自旋电子学器件之一，MTJs 是由两层铁磁层夹着一层非磁绝缘层构成的，即FM/NI/FM型磁性隧道结，由于磁隧道结势垒层中的隧穿电流可以通过一个微小的磁场来控制，因此具备高灵敏度，低功耗等优点。然而只有在室温下具有高的磁隧穿电阻（TMR）的MTJs，才有具有一定的应用价值研究价值和广阔的应用前景。因此，制备出室温下高TMR的是人们孜孜追求的目标。

在MTJs 中，TMR 效应产生的机制是自旋相关的隧穿效应，FM 层中的电子通过量子隧穿效应穿过绝缘层到达另一个FM层，其量子隧穿的几率则是由两FM层相对磁化方向决定的。我们可根据两铁磁层的矫顽力不同来调整二者的相对磁化方向。饱和磁化时，两铁磁层的磁化方向相互平行；反向磁化时，矫顽力较小的FM层磁化方向首先翻转，使得两FM层的磁化方向由平行变为反平行。因此，当两个铁磁电极中磁化的相对方向发生改变时，可获得大的磁隧穿电阻（TMR）。在铁磁材料中，例如铁磁金属Fe、Co、Ni 等，由于量子力学交换作用，铁磁金属的3d 轨道局域电子能带发生劈裂，产生交换作用能，自旋向上和自旋向下的两个子带发生相对位移，使得费米（Fermi）面附近自旋向上和向下的电子的态密度有所不同。当两个电极自旋平行排列时，左电极自旋向上的电子可以进入右电极中自旋向上带的空态，同样的，自旋向下的电子也可从左电极进入到右电极的自旋向下带的空态，此时的电流大，为低阻态。反之，当两个电极反平行排列时，左电极自旋向上的电子只能进入右电极中自旋向下带的空态，而左电极自旋向下的电子也相应的进入到右电极的自旋向上带的空态。因为自旋向上和自旋向下的电子在费米面分布是不均匀的，导致了反平行排列时的电流小，为高阻态。我们用自旋极化率来表示TMR 的大小：[2]TMR=(RAP-RP)/RP=2P1P2/(1-P1P2) P=|n↓-n↓|/( n↓+n↓)

图1

其中，RAP、RP 分别表示磁隧道结处于反平行和平行排列时的电阻，P 代表极化率，P1 与P2 分别表示左右两个电极的极化率。根据Valet-Fert 模型[3]，磁隧道结阻抗- 结面积乘积的变化率ΔRA=4(βρFtF+γR*A)2/(2ρ*tF+2R*A)，β 和γ 分别表示块体和界面处的自旋非对称系数，因此要想设计出具有良好电子极化输运性能的磁隧道结必须选择自旋极化率很高的磁性材料作为自旋注入源。理论研究表明，若排除自旋翻转因素，磁隧道结的磁电阻效应与自旋极化率的平方成正比，即体系的自旋极化度的越高，获得的磁电阻就越大，然而铁磁金属中的自旋极化率是都不太理想（Fe、Co、Ni 的自旋极化率分别为44%、45%、33%）[4，5]。所以他们的磁电阻效应都很低(Fe、Co、Ni 一般约为1%)。因此提高输运电子的自旋极化率是获得大的TMR的一种有效方法。为了设计具有较大的TMR 的高性能器件，研究人员想到了几种方法，其中一种是用本身具有较高自旋极化率的材料作电极，例如半金属磁性材料。半金属休斯勒(Heusler)合金具有独特的能带结构，其中一条子能带穿过费米面表现出典型的金属性，另一条子能带在费米面处具有一个明显的带隙从而具有半导体特性，由于其能带只在一个自旋方向存在带隙，这种特殊的结构导致其具有100%的传导电子极化率。其次，大多数 Heusler 合金的居里温度超过室温，例如：Cr2CoGa 和Co2FeSi 分别具有高达1520K[6], 1100K 的居里温度[7]。此外，多数Heusler 合金的晶格常数与通常二元半导体材料非常接近，大幅降低了异质结的晶格失配率，减弱了晶格扭曲以及界面重构、界面热激发等带来的自旋散射。总之，休斯勒(Heusler)合金具有100%自旋极化率、高居里温度以及与通常二元半导体非常接近的晶格常数等优点，已经越来越多的被应用到磁隧道结电极材料中以期提供自旋极化度较高的电流。但美中不足的是表面原子的弛豫、晶格畸变、原子无序、自然缺陷、表面态、温度升高带来的热扰动等因素都会对破坏这类材料半金属性，使得大多数Heusler 合金表面的自旋极化率大幅度降低，进而使得其应用价值大打折扣。所以，人们也不断寻找可以获得高自旋极化率的方法，即设计具有完美自旋过滤效应的磁隧道结。

人们以铁磁性绝缘材料或者半导体材料作为势垒层制备了铁磁隧道结，发现这些铁磁性绝缘材料或者半导体材料中存在自旋过滤效应。例如，美国Moodera 的研究小组设计了Au/EuS/Al 隧道结[8]，实验中，在隧道结中检测到了自旋极化电流。两个电极都是非磁性金属，不可能产生自旋极化的电子。这说明了，自旋极化电流来自铁磁性半导体EuS 势垒的自旋过滤效应。此外，实验表明，EuSe，EuS,等铁磁材料被用作势垒层，同样成功的探测到了自旋极化电流。CrI3是一个磁性半导体，用CrI3与无磁性金属Cu 组成磁隧道结（Cu/2ML-CrI3/Cu），其中Cu作为金属电极，CrI3既充当FM层，又作为势垒层。CrI3中的自旋子带产生交换劈裂，使得自旋向上电子的带隙比自旋向下电子的带隙小，也就意味着自旋向上电子遇到的势垒要比自旋向下电子的低，因此自旋向上电子的透射率远远高于自旋向下电子，隧穿电流是由自旋向上电子主导，即产生高自旋极化电流，因此磁隧道结具有良好的自旋过滤效应。还可增加CrI3 的层数，使得每层CrI3 都起到一定的自旋过滤效应，得到的电流自旋极化度更高，相应的自旋过滤效应越好。铁磁隧道结中的自旋过滤现象是由于势垒层具有铁磁性，在居里温度以下导带发生交换劈裂，因此，对于自旋方向不同的隧穿电子具有不同的势垒高度：自旋向上的电子遇到较低的势垒；自旋向下的电子遇到较高的势垒。势垒越高，隧穿几率越小，所以自旋向上电子的隧穿几率远大于自旋向下电子的隧穿几率，从而产生自旋极化电流。综上，我们得出结论：铁磁隧道结的自旋过滤效应是源于自旋方向的不同的电子遇到的势垒的高度不同，其根本原因在于势垒的交换劈裂。其中，势垒的磁性越强，交换劈裂越大，自旋极化度就越大。

图2 铁磁隧道结电势分布示意图

Ef 表示费米能级，左右两端的M表示金属电极，FM表示铁磁层，虚线代表温度高于居里温度时的势垒。当温度低于居里温度时，高于虚线的水平线表示自旋向下电子的遇到的势垒，低于虚线的水平线为自旋向上的电子遇到的势垒。

以上我们分析了几种磁隧道结的自旋过滤效应，我们发现无论是用铁磁材料还是半金属材料作为电极，都具有各自难以消弭的局限性。而用磁性半导体材料，一物二用，即作为FM层也作为势垒层，与无磁性金属，如Ag,Cu,Al 等，组成铁磁隧道结。这种磁隧道结弥补了上述两种磁隧道结的缺陷，具备较为完美的自旋过滤效应。目前，这种类型的磁隧道结已成为研究的热点，具备极高的研究价值和广阔的应用市场。但是要想设计出多款具有100%自旋过滤效应的高性能器件，我们仍是任重而道远。