基于新型氧化物垂直磁矩纳米结构的材料制备及其磁/输运性质研究

Magnetic random access memory (MRAM) have advantages of non-volatile performance, high speed read and write, low power dissipation, long life-time and radiation hardening, which is one of the most promising spintronic devices in information memory field. The memory cell of MRAM can be divided into perpendicular or in-plane magnetic moment tunnel junction (MTJ), and MTJ with perpendicular moment have advantages of high memory density, (electric-field controlled) low critical current density, and good thermal stability. Novel barrier MgAl2O4 make in-plane MTJs have good thermal stability and slowly decaying voltage for magnetoresistance, but there is no experimental study on novel oxide based nano-multilayers and MTJ structure with perpendicular magnetic anisotropy.. This project plans to optimize and fabricate perpendicular nano-strutures using a sputtering technique, which consists of novel oxide (MgAl2O4, ZnAl2O4,etc) and ferromagnetic metals and their alloys. Then using ultraviolet photolithography and Ar ion beam etching to fabricate suitable samples. Finally, this project will systematically study multi-field controlling magnetic/ magnetotransport properties of perpendicular nano-structures, and understand the intrinsic relation among structure, device and physical properties. It may supply novel materials and physical basis for the research of perpendicular MTJs and MRAM.

磁性随机存储器(MRAM)具有非易失性、快速读写、低功耗、长寿命和抗辐射等优点, 是信息存储领域中最有发展前景的自旋电子学器件之一。MRAM的存储单元可分为垂直磁矩磁性隧道结和面内磁矩隧道结，其中垂直磁矩隧道结具有存储密度高、(电场驱动下的)临界电流密度小、热稳定性好等优点。新型势垒MgAl2O4可以使面内磁矩隧道结具有更高的热稳定性及衰减电压,但尚没有基于新型氧化物垂直磁矩纳米多层膜结构及隧道结的实验研究。.　　本项目拟利用磁控溅射方法优化和制备出以新型氧化物(MgAl2O4、ZnAl2O4等)和铁磁性金属组成的垂直纳米多层膜；运用深紫外曝光、Ar离子束刻蚀等微加工技术，制备出高质量样品；系统研究此类纳米结构在多场(电场、磁场、温度和频率等)调控下的磁性和电输运变化规律，揭示相关材料、器件和物性的本征关系，为垂直各向异性磁性隧道结及垂直磁性随机存取器研究提供新型材料和物理基础。

可用于磁性随机存储器(MRAM)中存储单元的垂直磁矩隧道结具有存储密度高、(电场驱动下的)临界电流密度小、热稳定性好等优点，本项目利用磁控溅射等薄膜材料制备方法优化和制备出以新型氧化物MgAlOx等和铁磁性金属（Fe, CoFeB,Co-Pt多层膜等）组成的垂直纳米多层膜；运用深紫外曝光、Ar离子束刻蚀等微加工技术，制备出高质量样品；系统研究此类纳米结构在多场(电场、磁场、温度和频率等)调控下的磁性和电输运变化规律，揭示相关材料、器件和物性的本征关系，为垂直各向异性磁性隧道结及垂直磁性随机存取器研究提供新型材料和物理基础。. 本项目延续课题组过去的工作，利用分子束外延方法制备出核心结构为Fe/MgAlOx(n ML)/Fe/MgAlOx(12 MLs)/Fe的样品并研究了底层势垒厚度对量子阱态的影响；同时我们利用窄带隙的Mg1-xAlxO作为势垒的磁性隧道结具有的负微分电阻效应，提交了“具有高功率输出的自旋转矩振荡器”中国发明专利方案和美国发明专利方案。该发明方案能很好地解决自旋震荡器的输出功率问题，所涉及的自旋转矩振荡器一旦应用，可以代替常规的振荡器例如压控振荡器、晶体振荡器、LC振荡器等各种电路和器件。. 本项目中还研究了具有反转结构的Co-Pt垂直磁性纳米多层膜，在(Co/Pt)n /Co/IrMn磁性多层膜结构中发现超大垂直交换偏置作用；研究了MgO基CoFeB /MgO /CoFeB垂直磁性隧道结中的室温Seebeck效应；研究了MgO基垂直磁性隧道结中的自旋转矩驱动的铁磁共振效应及其温度依赖特性；研究了具有CoFeB /CoFeSiB复合自由层及单层CoFeB自由层的MgO基面内磁性隧道结中隧穿磁电阻效应和低频噪声性质。