隧道磁電阻(TMR)效應的物理解釋 - 磁傳感器 - 傳感器知識庫
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隧道磁電阻(TMR)效應的物理解釋

發布日期:2012年01月30日    瀏覽次數:17201

在磁隧道結(MTJ s)中,TMR效應的產生機理是自旋相關的隧穿效應。MTJ s的一般結構為鐵磁層 /非磁絕緣層 / 鐵磁層( FM / I/FM)的三明治結構。飽和磁化時,兩鐵磁層的磁化方向互相平行,而通常兩鐵磁層的矯頑力不同,因此反向磁化時,矯頑力小的鐵磁層磁化矢量首先翻轉,使得兩鐵磁層的磁化方向變成反平行。電子從一個磁性層隧穿到另一個磁性層的隧穿幾率與兩磁性層的磁化方向有關。

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                   (a) 兩鐵磁層平行排列                                   (b) 兩鐵磁層反平行排列

如圖1所示,若兩層磁化方向互相平行,則在一個磁性層中,多數自旋子帶的電子將進入另一磁性層中多數自旋子帶的空態,少數自旋子帶的電子也將進入另一磁性層中少數自旋子帶的空態,總的隧穿電流較大;若兩磁性層的磁化方向反平行,情況則剛好相反,即在一個磁性層中,多數自旋子帶的電子將進入另一磁性層中少數自旋子帶的空態,而少數自旋子帶的電子也將進入另一磁性層中多數自旋子帶的空態,這種狀態的隧穿電流比較小。因此,隧穿電導隨著兩鐵磁層磁化方向的改變而變化,磁化矢量平行時的電導高于反平行時的電導。通過施加外磁場可以改變兩鐵磁層的磁化方向,從而使得隧穿電阻發生變化,導致TMR效應的出現。MTJ s中兩鐵磁層電極的自旋極化率定義為:

                                              1                                                  (1)

式中N↑和N↓分別為鐵磁金屬費米面處自旋向上和自旋向下電子的態密度。

由Julliere模型可以得到

            2                                        (2)

或者

            3                                (3)

式中RP、RA 分別為兩鐵磁層磁化方向平行和反平行時的隧穿電阻, P, P2 分別為兩鐵磁層電極的自旋極化率。顯然,如果P1 和P2 均不為零,則MTJ s中存在TMR效應, 且兩鐵磁層電極的自旋極化率越大,TMR值也越高。

在文獻報道中,不同的學者對TMR值的定義不同,有的學者采用( 2)式的定義,但最近幾年,大部分學者都采用(3)式的定義。

 

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