本文由致真精密儀器綜合

進(jìn)入信息化時(shí)代以來，人們對(duì)于信息的讀取和存儲(chǔ)要求越來越嚴(yán)格。從最開始用真空管保存信息到現(xiàn)在U盤的大范圍使用，人們對(duì)于信息的大容量，高質(zhì)量?jī)?chǔ)存越來越重視。而隧道磁電阻效應(yīng)(TMR效應(yīng))正是促進(jìn)信息儲(chǔ)存變革的理論依據(jù)。

TMR效應(yīng)

鐵磁薄片的磁化方向可以在外磁場(chǎng)的控制下被獨(dú)立的切換。如果極化方向平行，那么電子隧穿過絕緣層的可能性會(huì)更大，其宏觀表現(xiàn)為電阻??；如果極化方向反平行，那么電子隧穿過絕緣層的可能性較小，其宏觀表現(xiàn)是電阻極大。因此，這種結(jié)可以在兩種電阻狀態(tài)中切換，即高阻態(tài)和低阻態(tài)。TMR效應(yīng)是一種與自旋極化輸運(yùn)過程相關(guān)的現(xiàn)象，其效應(yīng)概述如圖1所示。

想要清楚的理解TMR效應(yīng)，就要對(duì)磁場(chǎng)、量子隧穿效應(yīng)和不確定性原理等物理相關(guān)知識(shí)點(diǎn)有一定的了解。

圖 TMR原件結(jié)構(gòu)概述圖

Part1 磁場(chǎng)

磁場(chǎng)，是指?jìng)鬟f實(shí)物間磁力作用的場(chǎng)。磁場(chǎng)是電流、運(yùn)動(dòng)電荷、磁體或變化電場(chǎng)周圍空間存在的一種特殊形態(tài)的物質(zhì)。由于磁體的磁性來源于電流，電流是由電荷的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，因而概括地說，磁場(chǎng)是由運(yùn)動(dòng)電荷或電場(chǎng)的變化而產(chǎn)生的。用現(xiàn)代物理的觀點(diǎn)來考察，物質(zhì)中能夠形成電荷的終極成分只有電子（帶單位負(fù)電荷）和質(zhì)子（帶單位正電荷），因此負(fù)電荷就是帶有過剩電子的點(diǎn)物體，正電荷就是帶有過剩質(zhì)子的點(diǎn)物體。運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生磁場(chǎng)的真正場(chǎng)源是運(yùn)動(dòng)電子或運(yùn)動(dòng)質(zhì)子所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，如圖3所示。

Part2 量子隧穿效應(yīng)

由微觀粒子波動(dòng)性所確定的量子效應(yīng)，又稱勢(shì)壘貫穿?？紤]粒子運(yùn)動(dòng)遇到一個(gè)高于粒子能量的勢(shì)壘，按照經(jīng)典力學(xué)，粒子是不可能越過勢(shì)壘的；按照量子力學(xué)可以解出除了在勢(shì)壘處的反射外，還有透過勢(shì)壘的波函數(shù)，這表明在勢(shì)壘的另一邊，粒子具有一定的概率出現(xiàn)，即粒子貫穿勢(shì)壘。理論計(jì)算表明，對(duì)于能量為幾電子伏特的電子，方勢(shì)壘的能量也是幾電子伏特，當(dāng)勢(shì)壘寬度為1埃時(shí)，粒子的透射概率達(dá)零點(diǎn)幾；而當(dāng)勢(shì)壘寬度為10埃時(shí)，粒子透射概率減小到10-10，已微乎其微。可見隧道效應(yīng)是一種微觀世界的量子效應(yīng)，對(duì)于宏觀現(xiàn)象，實(shí)際上不可能發(fā)生。

對(duì)于能量勢(shì)壘，按經(jīng)典力學(xué)的觀點(diǎn)，粒子需先像爬山一樣翻過山頂再到山腳，如果能量勢(shì)壘比粒子本身的能量高，則粒子無法通過；按量子力學(xué)的觀點(diǎn)，只要?jiǎng)輭镜哪芰坎皇菬o窮高，即只要山不是無限高無限厚，粒子就有概率可以穿透這道勢(shì)壘，就像是有一條直達(dá)的隧道一樣。

圖 宏觀、微觀粒子越過勢(shì)壘示意圖

粒子穿過勢(shì)壘并出現(xiàn)在經(jīng)典力學(xué)禁阻區(qū)域的過程。當(dāng)一個(gè)電子通過由金屬層/絕緣層/金屬層構(gòu)成的三明治薄膜，絕緣層就形成一個(gè)勢(shì)壘很高的勢(shì)阱。按經(jīng)典力學(xué)概念，電子是不可能通過絕緣層的。電子具有“波”“?！眱芍匦?，電子的運(yùn)動(dòng)可以用波函數(shù)表征。量子力學(xué)對(duì)這種情況的分析表明，電子能以一定的幾率通過隧道效應(yīng)而穿過勢(shì)壘，逃出勢(shì)阱。穿過勢(shì)壘的幾率是由波函數(shù)在勢(shì)阱的兩壁上必需連續(xù)這個(gè)條件決定的。當(dāng)電子通過第一個(gè)金屬/絕緣體的界面時(shí)，在絕緣體內(nèi)波函數(shù)較快地衰減，如果絕緣層足夠薄，即勢(shì)壘薄，電子通過絕緣層到達(dá)第二個(gè)絕緣體/金屬界面時(shí)波函數(shù)沒有衰減到零，那么在第二個(gè)金屬薄膜中發(fā)射電子的幾率不是零，即電子穿越了勢(shì)壘。

圖 電子隧穿勢(shì)壘波函數(shù)示意圖

Part3 不確定性原理

初步看來，量子隧穿問題似乎是個(gè)佯謬，但是使用能量-時(shí)間不確定性原理可以合理解釋這問題。假設(shè)粒子的原本能量為E，位勢(shì)壘的位勢(shì)為V，而E

其中，ΔE, Δt分別為能量與時(shí)間的不確定性，?是約化普朗克常數(shù)。

圖 不確定性原理示意圖

盡管在經(jīng)典力學(xué)里，總能量不能改變，否則，會(huì)違背能量守恒定律。然而，在量子力學(xué)里，假若時(shí)間的不確定性為Δt，則能量的不確定性為ΔE≈?/2Δt?，F(xiàn)在，假設(shè)粒子暫時(shí)借得能量ΔE，而且E+ΔE>V，則粒子就可以從區(qū)域 A移動(dòng)到區(qū)域 C，但是為了不違背能量-時(shí)間不確定性原理，粒子必須在時(shí)間Δt≈?/2ΔE內(nèi)，還回能量ΔE，并且粒子必須在時(shí)間Δt內(nèi)從區(qū)域 A移動(dòng)到區(qū)域 C，否則它仍舊不能從區(qū)域 A移動(dòng)到區(qū)域 C。

注意到兩點(diǎn)：假若位勢(shì)壘過寬與過高，則粒子借得足夠能量在時(shí)間限制內(nèi)從區(qū)域 A移動(dòng)到區(qū)域 C是很困難的事件，這事件的概率會(huì)變得非常低，大多數(shù)粒子都會(huì)被反射回去。

按照上述解釋，由于粒子的能量變得大于位勢(shì)壘的位勢(shì)，粒子不是穿越過位勢(shì)壘，而是跳躍過位勢(shì)壘。

Part4 TMR效應(yīng)的產(chǎn)生

磁性金屬的3d以至4s電子能帶會(huì)發(fā)生按自旋方向的交換劈裂，使正自旋子帶和負(fù)自旋子帶中電子數(shù)不等。費(fèi)米面上正負(fù)自旋電子數(shù)不等將導(dǎo)致鐵磁金屬中傳導(dǎo)電子流的自旋極化。

圖 (a)非磁性半導(dǎo)體和(b)鐵磁金屬的態(tài)密度示意圖

在磁性隧道結(jié)（由磁性層/絕緣層/磁性層組成的結(jié)構(gòu)）中，中間絕緣層的作用是提供一個(gè)勢(shì)壘并隔開鐵磁層，這樣鐵磁層之間的導(dǎo)電就是一種隧穿效應(yīng)。隧穿電流由兩種自旋電子流組成。對(duì)于磁隧道結(jié)中的上下兩層鐵磁電極，當(dāng)它們的矯頑力不同（或一種鐵磁層被釘扎）時(shí)，其磁化方向會(huì)隨著外加磁場(chǎng)的變化呈現(xiàn)出平行或反平行兩種狀態(tài)。磁性隧道結(jié)的結(jié)構(gòu)和原理如圖所示。

圖 磁性隧道結(jié)的結(jié)構(gòu)和原理示意圖：(a)兩磁性層的磁矩平行態(tài),通常為低電阻態(tài); (b)兩磁性層磁矩反平行,通常為高電阻態(tài)

當(dāng)兩鐵磁層的磁化方向平行時(shí)，一鐵磁層中的多數(shù)自旋子帶的電子將進(jìn)人另一鐵磁層的多數(shù)子帶的空態(tài)，同時(shí)少數(shù)自旋子帶的電子也從一個(gè)鐵磁層進(jìn)人另一個(gè)鐵磁層少數(shù)子帶的空態(tài)，此時(shí)隧穿幾率大，總的隧穿電流較大；當(dāng)兩鐵磁層的磁化方向反平行時(shí)，則一鐵磁層中的多數(shù)自旋子帶的電子自旋與另一個(gè)鐵磁層的少數(shù)自旋子帶的電子自旋平行，一鐵磁層中的多數(shù)自旋子帶的電子將進(jìn)人另一鐵磁層的少數(shù)子帶的空態(tài)且少數(shù)自旋子帶的電子也從一個(gè)鐵磁層進(jìn)人另一個(gè)鐵磁層多數(shù)子帶的空態(tài)，此時(shí)隧穿幾率小，隧穿電流比較小。因此,隧穿電導(dǎo)隨著兩鐵磁層磁化方向的改變而變化，磁化矢量平行時(shí)的電阻低于反平行時(shí)的電阻。通過施加外磁場(chǎng)可以改變兩鐵磁層的磁化方向，從而使得隧穿電阻發(fā)生變化，導(dǎo)致TMR效應(yīng)的出現(xiàn)。

Part5 應(yīng)用現(xiàn)狀

上世紀(jì)90年代初,磁電阻型讀出磁頭在硬磁盤驅(qū)動(dòng)器中的應(yīng)用，大大促進(jìn)了硬磁盤驅(qū)動(dòng)器性能的提高，使其面記錄密度達(dá)到了Gb/in2的量級(jí)。十幾年來，磁電阻磁頭已從當(dāng)初的各向異性磁電阻磁頭發(fā)展到GMR磁頭和TMR磁頭。

表1TMR磁頭和GMR磁頭性能比較

基于TMR效應(yīng)制作的磁隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM)芯片具有集成度高、非易失性、讀寫速度快、可重復(fù)讀寫次數(shù)大、抗輻射能力強(qiáng)、功耗低和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，它既可以做計(jì)算機(jī)的內(nèi)存儲(chǔ)器，也可以做外存儲(chǔ)器。

表2TMR作為內(nèi)存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)

表3TMR作為外存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)

與硬磁盤相比，它的優(yōu)勢(shì)是無運(yùn)動(dòng)部件，使用起來與Flash存儲(chǔ)器一樣方便。除此之外TMR材料還可以做成各種高靈敏度磁傳感器，用于檢測(cè)微弱磁場(chǎng)和對(duì)微弱磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行傳感。由于此類傳感器體積小、可靠性高、響應(yīng)范圍寬，在自動(dòng)化技術(shù)、家用電器、商標(biāo)識(shí)別、衛(wèi)星定位、導(dǎo)航系統(tǒng)以及精密測(cè)量技術(shù)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

審核編輯：湯梓紅