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磁性隧道结中自旋转移力矩效应表征及磁电阻效应的研究
引言
磁性隧道结是一种用于制造磁存储器件和磁传感器的重要材料，在信息技术和电子工业中具有广泛应用。磁性隧道结由两个磁性层夹一层绝缘层构成，在外加电场或磁场的作用下，这两个磁性层的自旋方向能够相对旋转，从而影响电流通过磁性隧道结的大小，这就是磁电阻效应。同时，自旋转移力矩效应也是磁性隧道结中的一个重要物理效应，它可以使磁性层之间的自旋轨道耦合得以消除，从而提高隧道磁电阻的大小和稳定性。本文将首先介绍磁性隧道结的结构和工作原理，然后探讨自旋转移力矩效应的机理和表征方法，最后讨论磁电阻效应及其在磁存储器件和磁传感器中的应用。
磁性隧道结的结构和工作原理
磁性隧道结由两个磁性层和一层绝缘层构成，如图1所示。其中磁性层可以是铁、钴、镍等磁性金属，绝缘层可以是氧化物、氮化物等材料，并具有很薄的厚度。两个磁性层的自旋方向可以同向或反向，如果自旋方向相同，则称为并磁结构；如果自旋方向相反，则称为反磁结构。绝缘层的厚度在像素级别时约为1.5纳米左右，而磁性层的厚度在基准级别时在几个纳米以上，磁性层和绝缘层的界面由于电子波函数的匹配，存在着隧穿效应，电子可以穿过隧道进入另一个磁性层，并因为自旋效应发生自旋极化，从而使隧道电阻率受到了影响。
磁电阻效应及其表征方法
磁电阻是指磁场对电流通过一个物质中的电阻率产生的影响，磁电阻效应是指在磁性材料中，由于自旋效应造成的磁场影响，从而导致电阻率变化的效应。磁电阻效应在实际应用中具有潜在的重要应用价值。通常使用电阻率差值Δρ对磁电阻效应进行表征，其中Δρ可以如下表示：
Δρ＝(ρp-ρa)/ρa
其中ρp表示与磁层平行的电流方向，ρa表示与磁层垂直的电流方向。一般来说，磁电阻率的变化与磁性隧道结两个磁性层之间的相对自旋方向有关，磁电阻率的最大变化量大约在30%-60%范围内。同时，在磁场下，由于磁性隧道结的电阻率发生变化，导致其反映的电流变化量也随之产生变化，本质上这就是磁电阻效应的实验观察量。
自旋转移力矩效应及其表征方法
自旋转移力矩效应是指外加电场或磁场下，自旋方向会自行转移，磁性隧道结中的自旋方向相对有关。该效应在磁性记录媒体和传感器中具有广泛应用。自旋转移力矩效应的机理与电子束流晶体的自旋介导电流效应类似，但其策略更加复杂。既然电子具有自旋和轨道角动量，因此旋转瞬间对这两个量的变化量进行控制，就能实现对自旋方向的控制。
自旋转移力矩效应的表征方法通常通过自旋转移角度的大小和时间来进行分析。自旋转移角度的大小可以通过各种材料的磁学垂直扫描技术进行精确测量。同时，根据材料的磁学特性，可以通过自旋转移和磁场之间的电荡率来分析材料的物理特性。
应用前景
磁性隧道结的磁电阻效应和自旋转移力矩效应在磁存储器件和磁传感器中具有广泛应用。在磁存储器件中，这两个效应可以用于实现磁性随机存储器、磁性影像式存储器和非易失性存储器等；在磁传感器中，这两个效应可以用于制造磁敏传感器、磁阻传感器和安装在汽车、手机、摄像机和其他智能设备中的磁性传感器。总的来说，磁性隧道结的磁电阻效应和自旋转移力矩效应在信息技术和电子工业中已经存在很大的应用前景，也为材料科学研究提供了新的思路和发展方向。
结论
本文主要介绍了磁性隧道结的结构、工作原理和磁电阻效应，同时对自旋转移力矩效应的机理和表征方法进行了探讨。磁性隧道结的磁电阻效应和自旋转移力矩效应作为重要的物理效应，在信息技术和电子工业中具有广泛的应用前景，同时为新材料科学的研究提供了新思路和发展方向。