CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結：制備工藝、特性及應用的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義隨著信息技術的飛速發展，對數據存儲和處理能力的要求日益提高，自旋電子學應運而生并成為研究熱點。自旋電子學，也稱磁電子學，是一門新興的交叉學科，它利用電子的自旋和磁矩，使固體器件中除電荷輸運外，還加入電子的自旋和磁矩。這一領域的誕生，為突破傳統電子學的瓶頸提供了新的方向，有望實現更高速、更低功耗、更高密度的數據存儲與處理。磁性隧道結（MagneticTunnelJunction，MTJ）作為自旋電子學的核心器件，具有獨特的結構和性能。它由兩個磁性電極之間夾著一層絕緣層構成，當兩個磁性電極的磁矩方向相互平行時，電流可以通過磁性電極和絕緣層之間的隧道，形成低阻狀態；而當磁矩方向相互垂直時，電流則通過隧道的阻隔層，形成高阻狀態。通過調控兩個磁性電極的磁矩方向，可以實現電阻的改變，這種特性使得磁性隧道結在磁隨機存儲器（MagnetoresistiveRandomAccessMemory，MRAM）、自旋邏輯器件等方面展現出巨大的應用潛力。在眾多磁性隧道結體系中，CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結憑借其優異的性能脫穎而出。MgO具有較高的絕緣性、較低的表面態密度和優良的熱穩定性等優點，作為絕緣層能夠有效提升磁性隧道結的性能。在存儲領域，基于CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的MRAM被視為下一代非易失性存儲器的有力候選者。傳統的隨機存取存儲器（RandomAccessMemory，RAM）在斷電后數據會丟失，而MRAM利用磁性隧道結的高、低電阻態來存儲信息，具有非易失性，能夠在斷電時保留數據，大大提高了數據的安全性和可靠性。此外，MRAM還具有高速讀寫、低功耗、長壽命等優勢，有望解決傳統存儲器在性能和功耗方面的瓶頸問題，滿足未來大數據存儲和快速讀取的需求。在先進工藝節點、高密度存儲需求中，垂直磁化的STT-MRAM基于磁性層界面的各項異性，通過調整界面即可將各項異性場（HK）做得比較大，不需要做成橢圓，因而具有更好的可微縮性，在未來的存儲市場中具有廣闊的應用前景。在傳感器領域，CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結同樣具有重要應用價值。它可以將磁場的變化轉化為電阻的變化，從而實現對磁場的高精度檢測，被廣泛應用于磁傳感器中。與傳統的傳感器相比，基于磁性隧道結的傳感器具有更高的靈敏度和分辨率，能夠檢測到微弱的磁場信號，在生物醫學檢測、地質勘探、工業自動化等領域發揮著重要作用。例如，在生物醫學檢測中，可用于檢測生物分子的磁性標記，實現對疾病的早期診斷；在地質勘探中，能夠探測地下的磁性礦物資源，為資源開發提供重要依據。盡管CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結展現出了巨大的應用潛力，但目前仍面臨一些挑戰和問題。例如，在制備過程中，如何精確控制薄膜的厚度、界面的質量以及磁矩的耦合，以提高磁性隧道結的性能和穩定性，仍然是亟待解決的技術難題。此外，對磁性隧道結的物理機制和性能優化的研究還需要進一步深入，以充分挖掘其潛力，實現更高效的應用。因此，深入研究CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的制備工藝與特性，對于推動自旋電子學的發展，實現高性能的數據存儲和傳感器應用具有重要的理論意義和實際應用價值。1.2國內外研究現狀在自旋電子學蓬勃發展的大背景下，CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結作為極具潛力的核心器件，吸引了國內外眾多科研團隊和企業的廣泛關注，在制備工藝、特性研究及應用探索等方面均取得了顯著進展。在制備工藝上，薄膜沉積技術是構建CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的關鍵手段。物理氣相沉積（PVD）中的磁控濺射法憑借其可精確控制薄膜生長速率與成分、能在復雜襯底上沉積均勻薄膜等優勢，成為當前主流的制備方法。國外如美國、日本的科研機構，在磁控濺射設備的研發與工藝優化上投入大量資源，實現了高質量CoFeB和MgO薄膜的原子級精準沉積，極大地提升了磁性隧道結的性能。國內的清華大學、中國科學院等高校與科研院所也在積極跟進，通過自主研發與設備引進相結合，在薄膜沉積工藝上取得長足進步，制備出的磁性隧道結在關鍵性能指標上已逐漸接近國際先進水平。化學氣相沉積（CVD）法也在不斷發展，其獨特的生長機制有助于制備出高質量的MgO絕緣層，且在大面積制備方面具有潛在優勢，為實現CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的工業化生產提供了新思路。在特性研究方面，磁電阻效應是CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的核心特性之一。國內外學者深入研究了影響磁電阻的關鍵因素，如絕緣層MgO的厚度與晶體結構、CoFeB磁性層的成分與微觀結構以及磁性層與絕緣層之間的界面質量等。研究發現，當MgO絕緣層的厚度處于特定納米尺度范圍時，能實現最佳的隧道磁電阻效應。同時，通過優化制備工藝，改善界面的晶格匹配度，減少界面缺陷，可有效提升隧道磁電阻的幅度。此外，自旋極化輸運特性也是研究熱點，科學家們利用各種先進的實驗技術，如自旋極化掃描隧道顯微鏡（SP-STM）、角分辨光電子能譜（ARPES）等，深入探究自旋極化電子在磁性隧道結中的輸運機制，為進一步優化器件性能提供了堅實的理論基礎。在應用領域，基于CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的磁隨機存儲器（MRAM）成為研究與開發的重點。國外的三星、英特爾等半導體巨頭在MRAM的商業化進程中處于領先地位，已成功推出多款基于STT-MRAM技術的產品，并不斷提升存儲密度和讀寫速度。國內企業如長江存儲、合肥長鑫等也在積極布局MRAM研發，與高校、科研機構緊密合作，努力縮小與國際先進水平的差距。在傳感器領域，國內外研究人員致力于開發基于該磁性隧道結的高靈敏度磁傳感器，應用于生物醫學檢測、地質勘探、工業自動化等多個領域，展現出良好的應用前景。盡管目前在CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的研究上取得了諸多成果，但仍存在一些亟待解決的問題。在制備工藝方面，如何進一步降低制備成本、提高生產效率，以滿足大規模工業化生產的需求，是面臨的一大挑戰。同時，不同制備工藝之間的兼容性問題也有待解決，這關系到能否實現高質量、一致性的器件制備。在特性研究中，對于磁性隧道結在復雜環境下的長期穩定性和可靠性研究還相對薄弱，實際應用中可能面臨溫度、濕度、電磁干擾等多種因素的影響，需要深入探究這些因素對器件性能的影響機制，并提出有效的解決方案。在應用拓展方面，雖然MRAM展現出巨大的潛力，但與傳統存儲器相比，其在讀寫速度、存儲容量等方面仍有提升空間，需要進一步優化器件結構和性能，以提高市場競爭力。此外，在新的應用領域，如人工智能、物聯網等，如何更好地發揮CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的優勢，還需要進一步的探索和研究。1.3研究內容與方法本研究聚焦于CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結，旨在深入探究其制備工藝、特性以及潛在應用，通過系統性研究，為自旋電子學領域的發展提供理論支持與技術參考。在制備工藝研究方面，本研究以磁控濺射技術為核心，探索制備高質量CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的最佳工藝參數。在薄膜沉積過程中，精確控制CoFeB和MgO薄膜的生長速率、厚度以及沉積溫度等參數。研究不同生長速率對薄膜結晶質量和微觀結構的影響，通過調整濺射功率、氣體流量等條件，實現對生長速率的精確調控。同時，深入分析薄膜厚度與磁性隧道結性能之間的關系，確定最佳的薄膜厚度范圍，以優化隧道磁電阻效應和其他關鍵性能指標。例如，通過多次實驗，改變MgO絕緣層的厚度，觀察其對隧道磁電阻的影響，找到使隧道磁電阻達到最大值的MgO厚度。此外，研究沉積溫度對薄膜晶體結構和界面質量的作用，確定合適的沉積溫度，以獲得良好的晶格匹配和低缺陷密度的界面。通過這些研究，建立起制備工藝參數與磁性隧道結性能之間的關聯，為制備高性能的磁性隧道結提供工藝依據。在特性研究方面，全面分析CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的磁電阻特性和自旋極化輸運特性。利用振動樣品磁強計（VSM）、超導量子干涉儀（SQUID）等設備，精確測量磁性隧道結的磁滯回線、矯頑力等磁性參數，深入研究其磁學性能與結構之間的內在聯系。例如，通過VSM測量不同結構的磁性隧道結的磁滯回線，分析磁滯回線的形狀和參數，了解磁性層的磁各向異性、磁矩耦合等情況。同時，采用四探針法、電流-電壓（I-V）測量等技術，系統研究隧道磁電阻效應與絕緣層厚度、界面質量以及溫度等因素的依賴關系。通過改變絕緣層厚度，測量不同厚度下的隧道磁電阻，分析其變化規律；通過優化制備工藝，改善界面質量，研究界面質量對隧道磁電阻的提升作用；在不同溫度下測量隧道磁電阻，探究溫度對其性能的影響機制。此外，運用自旋極化掃描隧道顯微鏡（SP-STM）、角分辨光電子能譜（ARPES）等先進技術，深入探究自旋極化電子在磁性隧道結中的輸運機制，揭示自旋相關的量子隧穿過程，為進一步優化器件性能提供理論基礎。在應用研究方面，探索CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結在磁隨機存儲器和磁傳感器領域的應用。針對磁隨機存儲器，研究磁性隧道結的高速讀寫性能和穩定性，通過優化器件結構和制備工藝，提高存儲密度和讀寫速度，降低功耗。例如，設計新型的磁性隧道結結構，采用多層膜結構或引入新的材料層，以增強磁矩耦合和提高隧道磁電阻，從而提高存儲密度；研究快速讀寫的驅動方式和電路設計，優化讀寫脈沖的波形和參數，實現高速讀寫操作；通過對磁性隧道結在不同工作條件下的穩定性測試，分析其失效機制，提出改進措施，提高存儲器的可靠性。對于磁傳感器應用，研究其對微弱磁場的檢測能力和靈敏度，開發基于磁性隧道結的高靈敏度磁傳感器，并探索其在生物醫學檢測、地質勘探等領域的實際應用。例如，通過優化磁性隧道結的結構和材料，提高其對微弱磁場的響應靈敏度；設計合適的信號處理電路，將隧道磁電阻的變化轉化為可檢測的電信號，實現對微弱磁場的精確檢測；在生物醫學檢測中，將磁傳感器與生物分子標記技術相結合，檢測生物分子的磁性標記，實現對疾病的早期診斷；在地質勘探中，利用磁傳感器探測地下的磁性礦物資源，為資源開發提供重要依據。本研究采用多種先進的研究方法，以確保研究的全面性和深入性。在材料制備方面，運用磁控濺射技術，利用其在薄膜生長控制方面的優勢，實現對CoFeB和MgO薄膜精確制備。通過射頻磁控濺射系統，將CoFeB和MgO靶材在特定的濺射條件下沉積到襯底上，形成高質量的薄膜。在結構表征方面，綜合運用X射線衍射（XRD）、高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）、原子力顯微鏡（AFM）等技術，對制備的磁性隧道結的晶體結構、微觀形貌和界面質量進行詳細分析。XRD用于確定薄膜的晶體結構和取向，HRTEM用于觀察薄膜的微觀結構和界面的原子排列，AFM用于測量薄膜的表面形貌和粗糙度。在性能測試方面，利用振動樣品磁強計（VSM）、超導量子干涉儀（SQUID）測量磁性參數，采用四探針法、電流-電壓（I-V）測量等技術測試電學性能，運用自旋極化掃描隧道顯微鏡（SP-STM）、角分辨光電子能譜（ARPES）等技術研究自旋極化輸運特性。通過這些方法的綜合運用，全面深入地研究CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的制備工藝、特性及應用，為其在自旋電子學領域的發展提供堅實的理論和實驗基礎。二、CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的基本原理2.1磁性隧道結的結構與組成CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結具有典型的三明治結構，從下至上依次為底層CoFeB磁性層、中間MgO絕緣層和頂層CoFeB磁性層。這種結構的設計精妙地利用了不同材料的特性，實現了獨特的物理性能和應用價值。底層CoFeB磁性層作為自旋極化電子的發射源，具有關鍵作用。CoFeB是一種軟磁材料，其飽和磁化強度、磁各向異性和自旋極化率等特性對磁性隧道結的性能影響顯著。飽和磁化強度決定了磁性層能夠產生的最大磁矩，較大的飽和磁化強度有助于增強自旋極化電流，提高隧道磁電阻效應。磁各向異性則決定了磁性層中磁矩的易磁化方向，合適的磁各向異性能夠使磁矩穩定地保持在特定方向，降低外界干擾對磁矩取向的影響，從而提高磁性隧道結的穩定性。自旋極化率是衡量磁性材料中自旋極化電子比例的重要參數，高自旋極化率的CoFeB磁性層能夠發射更多具有特定自旋方向的電子，為實現高效的自旋相關輸運奠定基礎。在實際應用中，通過精確控制CoFeB磁性層的成分和厚度，可以優化其磁性參數，以滿足不同器件對性能的要求。例如，在磁隨機存儲器中，為了實現快速的讀寫操作和高存儲密度，需要調整CoFeB磁性層的飽和磁化強度和磁各向異性，使磁矩能夠在短時間內快速翻轉，同時保持良好的穩定性。中間的MgO絕緣層是磁性隧道結實現隧道磁電阻效應的核心部件。MgO具有較高的絕緣性，能夠有效阻止電子的直接傳導，形成一個勢壘，使電子只能通過量子隧穿效應穿過絕緣層。同時，MgO具有較低的表面態密度，這意味著在MgO與CoFeB磁性層的界面處，電子散射較少，有利于提高隧道磁電阻效應。此外，MgO的晶體結構對電子的隧穿特性有重要影響，特別是MgO（001）面與CoFeB的晶格匹配度較高，能夠形成高質量的界面，進一步優化隧道磁電阻性能。研究表明，當MgO絕緣層的厚度在1-2納米范圍內時，能夠實現較為理想的隧道磁電阻效應。如果MgO絕緣層過薄，電子容易直接穿透，導致隧道磁電阻效應減弱；而過厚則會使隧穿概率急劇下降，同樣不利于隧道磁電阻效應的實現。在制備過程中，精確控制MgO絕緣層的厚度和質量是提高磁性隧道結性能的關鍵之一。通過優化磁控濺射等制備工藝參數，如濺射功率、氣體流量和沉積溫度等，可以實現對MgO絕緣層厚度和質量的精確控制，從而獲得高質量的MgO絕緣層，提高磁性隧道結的性能。頂層CoFeB磁性層作為自旋極化電子的收集器，其磁性狀態與底層CoFeB磁性層的相對取向決定了磁性隧道結的電阻狀態。當頂層和底層CoFeB磁性層的磁矩方向平行時，自旋極化電子能夠更容易地通過絕緣層，此時磁性隧道結處于低電阻狀態；而當磁矩方向反平行時，電子的隧穿概率降低，磁性隧道結呈現高電阻狀態。這種電阻狀態的變化可以通過外加磁場或自旋轉移力矩等方式進行調控，從而實現信息的存儲和讀取。例如，在磁隨機存儲器中，利用外加磁場或電流產生的自旋轉移力矩，使頂層CoFeB磁性層的磁矩相對于底層發生翻轉，從而改變磁性隧道結的電阻狀態，實現數據的寫入和讀取操作。在實際的CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結制備中，還需要考慮其他輔助層的作用。例如，在底層CoFeB磁性層與襯底之間通常會引入緩沖層，其作用是改善底層CoFeB磁性層的生長質量，促進其晶體結構的優化，提高與襯底的結合力。常見的緩沖層材料有Ta、Ru等，它們能夠提供合適的晶格匹配和表面形貌，為CoFeB磁性層的生長提供良好的基礎。在頂層CoFeB磁性層之上，常常會添加保護層，以防止磁性隧道結在后續工藝或使用過程中受到氧化、污染等損害，保護其結構和性能的穩定性。常用的保護層材料有Ta、Al等，它們具有良好的化學穩定性和抗氧化性，能夠有效地保護磁性隧道結。這些輔助層的合理設計和制備，對于提高CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的性能和可靠性具有重要意義，它們與核心的三明治結構相互配合，共同實現了磁性隧道結在自旋電子學器件中的應用。2.2隧穿磁電阻效應（TMR）原理隧穿磁電阻效應（TunnelMagnetoresistance，TMR）是CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的核心特性，其物理機制基于自旋相關的量子隧穿過程，這一過程蘊含著深刻的量子力學原理和獨特的自旋電子學特性。在磁性隧道結中，電子的輸運行為與傳統的導體和半導體有著本質區別。當電子從一個磁性層（如底層CoFeB磁性層）向另一個磁性層（頂層CoFeB磁性層）傳輸時，由于中間存在MgO絕緣層，電子無法通過經典的傳導方式跨越絕緣層，而是通過量子隧穿效應實現穿越。量子隧穿是一種量子力學現象，當微觀粒子的總能量小于勢壘高度時，粒子仍有一定概率穿越勢壘。在磁性隧道結中，MgO絕緣層就形成了一個能量勢壘，電子的隧穿過程遵循量子力學的規律。自旋相關的隧穿機制是TMR效應產生的關鍵。在鐵磁材料中，由于量子力學交換作用，鐵磁金屬的3d軌道局域電子能帶發生劈裂，使費米（Fermi）面附近自旋向上和向下的電子具有不同的能態密度。這意味著鐵磁金屬中傳導電子流是自旋極化的，即具有不同自旋方向的電子在數量和能量分布上存在差異。在CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結中，當兩個CoFeB磁性層的磁矩方向平行時，一個磁性層中多數自旋子帶的電子將進入另一個磁性層中多數自旋子帶的空態，同時少數自旋子帶的電子也進入另一個磁性層中少數自旋子帶的空態，此時電子的隧穿概率較大，總的隧穿電流較大，磁性隧道結呈現低電阻狀態。反之，當兩個CoFeB磁性層的磁矩方向反平行時，一個磁性層中多數自旋子帶的電子將進入另一個磁性層中少數自旋子帶的空態，而少數自旋子帶的電子也進入另一個磁性層中多數自旋子帶的空態，這種情況下電子的隧穿概率較小，隧穿電流比較小，磁性隧道結呈現高電阻狀態。通過施加外磁場可以改變兩個CoFeB磁性層的磁化方向，從而實現磁性隧道結電阻狀態的切換，導致TMR效應的出現。影響TMR值的因素眾多，其中絕緣層MgO的特性起著關鍵作用。MgO絕緣層的厚度對TMR值有顯著影響。當MgO絕緣層過薄時，電子容易直接穿透，導致隧道磁電阻效應減弱，TMR值降低；而過厚則會使隧穿概率急劇下降，同樣不利于隧道磁電阻效應的實現，TMR值也會降低。研究表明，當MgO絕緣層的厚度在1-2納米范圍內時，能夠實現較為理想的隧道磁電阻效應，此時TMR值相對較高。MgO的晶體結構對TMR值也有重要影響，特別是MgO（001）面與CoFeB的晶格匹配度較高，能夠形成高質量的界面，有利于電子的隧穿，提高TMR值。如果界面存在缺陷、粗糙度較大或晶格失配嚴重，會增加電子散射，降低電子的隧穿概率，從而減小TMR值。CoFeB磁性層的性質也對TMR值產生重要影響。CoFeB磁性層的飽和磁化強度、磁各向異性和自旋極化率等參數與TMR值密切相關。較大的飽和磁化強度有助于增強自旋極化電流，提高TMR值；合適的磁各向異性能夠使磁矩穩定地保持在特定方向，降低外界干擾對磁矩取向的影響，從而提高磁性隧道結的穩定性，有利于維持較高的TMR值；高自旋極化率的CoFeB磁性層能夠發射更多具有特定自旋方向的電子，為實現高效的自旋相關輸運奠定基礎，進而提高TMR值。通過精確控制CoFeB磁性層的成分和厚度，可以優化其磁性參數，提高TMR值。此外，磁性隧道結的制備工藝也會影響TMR值。制備過程中的溫度、濺射功率、氣體流量等工藝參數會影響薄膜的生長質量、晶體結構和界面質量，進而影響TMR值。在磁控濺射制備過程中，合適的濺射功率和氣體流量可以控制薄膜的生長速率和原子沉積的均勻性，有利于形成高質量的薄膜和界面，提高TMR值；而不合適的工藝參數可能導致薄膜結晶質量差、界面缺陷增多，從而降低TMR值。因此，優化制備工藝參數，精確控制薄膜生長和界面質量，是提高TMR值的重要途徑。2.3垂直磁各向異性原理垂直磁各向異性（PerpendicularMagneticAnisotropy，PMA）是磁性材料中一種重要的特性，它決定了磁性材料中磁矩的易磁化方向垂直于材料的平面。這種特性在CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結中具有關鍵作用，對磁性隧道結的性能產生著深遠影響。垂直磁各向異性的產生源于多種因素的綜合作用。在原子層面，軌道磁矩各向異性起著重要作用。當磁性薄膜較厚時，軌道磁矩幾乎是各向同性的，此時由于材料的形狀各向異性占主導，材料表現出面內磁各向異性。而當磁層很薄時，原子中的軌道各向異性得以體現，界面各向異性有可能超過形狀各向異性，從而實現垂直磁各向異性。以CoFeB薄膜為例，當CoFeB薄膜的厚度在幾個納米以下時，其與MgO絕緣層的界面處，原子的軌道雜化和電子云分布發生變化，導致垂直方向上的磁各向異性增強，使得磁矩更容易沿垂直于膜面的方向取向。晶體場效應也是產生垂直磁各向異性的重要原因之一。在晶體結構中，原子周圍的電子云分布受到晶體場的作用，導致電子的軌道發生分裂，進而影響磁矩的取向。在CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結中，CoFeB磁性層的晶體結構與MgO絕緣層的相互作用，使得垂直方向上的晶體場與面內方向的晶體場存在差異，這種差異促使磁矩在垂直方向上具有更低的能量狀態，從而表現出垂直磁各向異性。例如，當CoFeB磁性層與MgO絕緣層形成良好的界面時，界面處的原子排列和化學鍵合方式會影響晶體場的分布，使得垂直方向的晶體場有利于磁矩的垂直取向。表面和界面的各向異性對垂直磁各向異性的貢獻也不容忽視。在磁性隧道結中，CoFeB磁性層與MgO絕緣層的界面以及CoFeB磁性層的表面，原子的配位環境與體相原子不同，導致表面和界面處存在額外的各向異性能。這種各向異性能會影響磁矩的取向，使得磁矩更傾向于垂直于膜面。研究表明，通過優化制備工藝，改善界面質量，減少界面缺陷，可以增強表面和界面的各向異性，從而提高垂直磁各向異性。在磁控濺射制備過程中，精確控制濺射參數，如濺射功率、氣體流量和沉積溫度等，可以獲得高質量的界面，增強垂直磁各向異性。垂直磁各向異性對CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的性能具有多方面的影響。在磁隨機存儲器（MRAM）應用中，垂直磁各向異性使得磁性隧道結的磁矩能夠穩定地保持在垂直方向，有利于實現高存儲密度和低功耗。與面內磁各向異性的磁性隧道結相比，垂直磁各向異性的磁性隧道結在相同面積下可以存儲更多的信息，因為磁矩的垂直取向可以更有效地利用空間。同時，垂直磁各向異性有助于降低寫入電流，提高讀寫速度。由于磁矩的易磁化方向垂直于膜面，施加較小的電流產生的自旋轉移力矩就可以使磁矩翻轉，從而實現數據的寫入和讀取，大大降低了功耗并提高了讀寫速度。在磁傳感器應用中，垂直磁各向異性可以提高傳感器的靈敏度和分辨率。當磁性隧道結用于檢測磁場時，垂直磁各向異性使得磁矩對磁場的變化更加敏感，能夠檢測到更微弱的磁場信號。由于垂直磁各向異性的存在，磁場的微小變化就能引起磁矩的明顯轉動，從而導致隧道磁電阻的顯著變化，提高了傳感器的檢測能力。在生物醫學檢測中，基于垂直磁各向異性的磁性隧道結傳感器可以檢測到生物分子標記產生的微弱磁場變化，實現對疾病的早期診斷；在地質勘探中，能夠探測到地下微弱的磁性礦物信號，為資源開發提供重要依據。垂直磁各向異性在CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結中具有重要意義，它的產生源于多種微觀機制的協同作用，對磁性隧道結在磁隨機存儲器和磁傳感器等領域的性能提升起著關鍵作用。深入研究垂直磁各向異性的原理和調控方法，對于進一步優化CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的性能，推動自旋電子學器件的發展具有重要的理論和實際價值。三、CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的制備工藝3.1制備方法選擇制備CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的方法眾多，主要包括物理氣相沉積（PVD）、化學氣相沉積（CVD）等，每種方法都有其獨特的原理、特點及適用場景。物理氣相沉積是在高溫下使金屬、合金或化合物蒸發，然后沉積在襯底表面形成薄膜的方法。它包含多種具體技術，如蒸發鍍膜、濺射鍍膜和離子鍍等。蒸發鍍膜是通過加熱使材料蒸發，然后蒸汽在襯底上冷凝形成薄膜；濺射鍍膜則是利用高能離子轟擊靶材，使靶材原子濺射出來并沉積在襯底上；離子鍍是在蒸發鍍膜的基礎上，引入離子轟擊，提高薄膜與襯底的結合力。物理氣相沉積的優點顯著，它能夠精確控制薄膜的生長速率，通過調整蒸發源的功率或濺射參數，可以實現對薄膜生長速率的精細調控，從而制備出厚度均勻的薄膜。同時，該方法能精確控制薄膜的成分，通過選擇合適的靶材或蒸發源材料，可以制備出具有特定成分的薄膜。在制備CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結時，能夠準確控制CoFeB和MgO的成分比例，保證磁性隧道結的性能穩定。物理氣相沉積還可以在復雜襯底上沉積薄膜，無論是平面襯底還是具有特殊形狀的襯底，都能實現均勻的薄膜沉積。化學氣相沉積是利用氣態的化學物質在固體表面發生化學反應，生成固態沉積物的過程。其原理是將氣態的反應物通入反應室，在襯底表面發生化學反應，生成的固態產物沉積在襯底上形成薄膜。化學氣相沉積的優勢在于可以制備出高質量的薄膜，通過精確控制反應條件，如溫度、氣體流量、壓力等，可以獲得結晶質量好、純度高的薄膜。在制備MgO絕緣層時，能夠得到高質量的MgO薄膜，減少缺陷和雜質的存在，有利于提高磁性隧道結的隧道磁電阻效應。該方法在大面積制備方面具有潛在優勢，適合工業化生產。通過優化反應室的設計和工藝參數，可以實現大面積襯底上的均勻薄膜沉積，滿足大規模生產的需求。磁控濺射法作為物理氣相沉積的一種，在制備CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結時具有獨特的優勢，因此被本研究選用。磁控濺射法利用磁場約束電子，提高氣體的離化率，從而增強濺射效果。在制備過程中，電子在磁場的作用下做螺旋運動，增加了與氣體分子的碰撞幾率，使得氣體更容易被電離，產生更多的離子，進而提高了靶材原子的濺射速率。這使得磁控濺射法在薄膜生長控制方面表現出色，能夠精確控制薄膜的厚度。通過調整濺射時間、功率等參數，可以實現對薄膜厚度的精確控制，滿足磁性隧道結對各層薄膜厚度的嚴格要求。例如，在制備MgO絕緣層時，能夠精確控制其厚度在1-2納米的理想范圍內，以實現最佳的隧道磁電阻效應。磁控濺射法還能實現對薄膜成分的精確控制。通過選擇高純度的靶材，并控制濺射過程中的各種參數，可以保證薄膜成分的準確性和穩定性。在制備CoFeB磁性層時，能夠準確控制Co、Fe、B的比例，確保磁性層的磁性參數符合要求。此外，磁控濺射法制備的薄膜具有良好的均勻性和致密性。由于濺射過程中原子的沉積較為均勻，且離子的轟擊作用使得薄膜更加致密，減少了薄膜中的孔隙和缺陷，提高了薄膜的質量和性能。在制備CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結時，能夠保證各層薄膜之間的界面質量，減少界面缺陷，有利于提高磁性隧道結的性能。綜上所述，磁控濺射法在薄膜生長控制、成分控制以及薄膜質量等方面的優勢，使其成為制備CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的理想方法。3.2磁控濺射制備流程磁控濺射制備CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結是一個精細且復雜的過程，涵蓋多個關鍵步驟，每一步都對最終器件的性能有著至關重要的影響。首先是襯底準備環節。選用的襯底材料通常為硅片或玻璃基片，其中硅片由于其良好的半導體性能和與后續工藝的兼容性，在半導體器件制備中廣泛應用；玻璃基片則因其成本較低、表面平整度較好，在一些對電學性能要求不高的應用中較為常見。在使用前，需要對襯底進行嚴格的清洗，以去除表面的雜質、油污和氧化物等，確保薄膜能夠與襯底良好結合。清洗過程一般采用超聲清洗的方法，先將襯底放置于燒杯或培養皿中，倒入適量的丙酮溶液，超聲清洗十分鐘左右，利用丙酮的強溶解性去除油污和有機物雜質。隨后換用酒精溶液按同樣方法清洗十分鐘左右，進一步去除殘留的丙酮和其他雜質，最后用蒸餾水沖洗，以去除酒精和其他水溶性雜質。清洗后的襯底保存在酒精溶液中備用，使用時取出用電吹風快速吹干，以防止在保存過程中再次被污染。接著是各層薄膜的濺射沉積。采用射頻磁控濺射系統，該系統主要由真空室、濺射靶材、射頻電源、磁場系統和氣體供應系統等部分組成。在沉積過程中，將高純度的CoFeB和MgO靶材分別安裝在濺射靶位上，將經過清洗處理的襯底固定在襯底支架上，并放入真空室中。先抽真空使真空室內的本底真空度達到較高水平，一般為10??-10??Pa，以減少空氣中雜質對薄膜質量的影響。然后通入適量的氬氣作為工作氣體，通過射頻電源對靶材施加射頻功率，在磁場的作用下，氬氣被電離產生等離子體，其中的氬離子在電場的加速下轟擊靶材表面，使靶材原子濺射出來，并在襯底表面沉積形成薄膜。在沉積底層CoFeB磁性層時，精確控制濺射功率、氣體流量和沉積時間等參數。濺射功率一般在30-50W之間，通過調整功率可以控制氬離子轟擊靶材的能量和濺射原子的數量，從而影響薄膜的沉積速率和質量。氣體流量通常控制在10-20sccm，合適的氣體流量可以保證等離子體的穩定性和濺射原子的均勻分布。沉積時間根據所需的薄膜厚度確定，通過多次實驗和監測，確定合適的沉積時間，以獲得厚度均勻、質量良好的底層CoFeB磁性層。在底層CoFeB磁性層沉積完成后，進行中間MgO絕緣層的濺射沉積。同樣需要精確控制濺射參數，濺射功率一般在80-120W之間，因為MgO的濺射難度相對較大，需要較高的功率來保證濺射效果。氣體流量保持在10-15sccm左右，以確保等離子體的穩定和薄膜的均勻生長。MgO絕緣層的厚度對磁性隧道結的性能影響顯著，通常將其厚度控制在1-2納米范圍內。通過精確控制沉積時間和濺射速率，實現對MgO絕緣層厚度的精確控制，以獲得最佳的隧道磁電阻效應。最后沉積頂層CoFeB磁性層，其濺射參數與底層CoFeB磁性層類似，但在實際操作中，需要根據具體情況進行微調。確保頂層CoFeB磁性層與中間MgO絕緣層之間形成良好的界面，減少界面缺陷，提高磁性隧道結的性能。完成各層薄膜的濺射沉積后，需要進行退火處理。退火處理是改善磁性隧道結性能的重要步驟，它可以消除薄膜內部的應力，促進晶體結構的優化，提高界面質量。將制備好的磁性隧道結樣品放入真空退火爐中，在一定的溫度和氣氛下進行退火處理。退火溫度一般在250-350℃之間，溫度過低無法有效改善薄膜性能，過高則可能導致薄膜結構的破壞和元素的擴散。退火氣氛通常為真空或惰性氣體（如氬氣），以防止樣品在退火過程中被氧化。退火時間一般為1-2小時，通過合適的退火時間，使薄膜內部的原子有足夠的時間進行重新排列和擴散，從而改善薄膜的性能。在退火過程中，還可以施加一定的磁場，以調控磁性層的磁矩取向，進一步優化磁性隧道結的性能。例如，通過施加與薄膜平面垂直的磁場，可以增強垂直磁各向異性，提高磁性隧道結在垂直方向上的磁性能。通過精確控制退火溫度、時間、氣氛和磁場等參數，可以有效改善磁性隧道結的性能，提高其隧道磁電阻效應和穩定性。3.3制備過程中的關鍵參數控制在利用磁控濺射法制備CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的過程中，濺射功率、氣壓、溫度等參數對薄膜質量和性能有著至關重要的影響，精確控制這些參數是制備高質量磁性隧道結的關鍵。濺射功率是影響薄膜沉積速率和質量的關鍵因素之一。當濺射功率較低時，靶材原子獲得的能量較少，濺射出來的原子數量也相對較少，導致薄膜的沉積速率較低。此時，原子在襯底表面的遷移能力較弱，容易形成非晶態或晶粒尺寸較小的薄膜結構，這種結構的薄膜可能存在較多的缺陷和孔隙，影響薄膜的致密度和性能。在沉積CoFeB磁性層時，低濺射功率可能導致磁性層的飽和磁化強度降低，磁各向異性不穩定，從而影響磁性隧道結的磁性能。隨著濺射功率的增加，靶材原子獲得的能量增大，濺射出來的原子數量增多，薄膜的沉積速率顯著提高。同時，原子在襯底表面的遷移能力增強，有利于形成更均勻、致密的薄膜結構。在適當的濺射功率下，CoFeB磁性層能夠獲得較好的結晶質量，其飽和磁化強度和磁各向異性能夠達到理想狀態，從而提高磁性隧道結的性能。如果濺射功率過高，會帶來一系列問題。過高的功率會使靶材表面溫度急劇升高，可能導致靶材“中毒”現象，即靶材表面被反應氣體或雜質覆蓋，影響濺射效率和薄膜質量。過高的功率還會使沉積到襯底上的原子具有過高的能量，導致薄膜內部應力過大，容易產生裂紋或缺陷，降低薄膜的質量和穩定性。在制備MgO絕緣層時，過高的濺射功率可能導致MgO薄膜的結晶質量變差，界面粗糙度增加，從而降低磁性隧道結的隧道磁電阻效應。因此，在制備CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結時，需要根據不同的薄膜材料和所需的薄膜性能，精確選擇合適的濺射功率。對于CoFeB磁性層，濺射功率一般控制在30-50W之間；對于MgO絕緣層，由于其濺射難度相對較大，濺射功率通常在80-120W之間。氣壓對薄膜的結晶質量、表面粗糙度和致密度等性能有著顯著影響。當氣壓過高時，氣體電離程度提高，但濺射原子在到達襯底前與氣體分子的碰撞次數增多，損失大量能量。這使得到達襯底的濺射原子遷移能力受限，難以進行有序排列，從而導致結晶質量變差，薄膜可能呈現出非晶態或結晶不完整的狀態。過高的氣壓還會使濺射原子在碰撞后以不均勻的方式到達襯底，導致薄膜表面粗糙度增加。在制備CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結時，過高的氣壓會使CoFeB磁性層和MgO絕緣層的界面質量變差，增加電子散射，降低隧道磁電阻效應。當氣壓過低時，氣體電離困難，難以發生濺射起輝效果，沉積速率極低，無法形成連續的薄膜。適中的濺射氣壓能保證濺射粒子有足夠的能量到達襯底并進行良好的結晶，使薄膜具有較好的結晶質量。在合適的氣壓下，濺射原子能夠均勻地沉積在襯底上，形成較為光滑的薄膜表面，同時薄膜的致密度也能得到保證。一般來說，在磁控濺射制備CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結時，氣壓控制在0.3-0.6Pa之間較為合適。通過精確控制氣壓，可以獲得高質量的CoFeB磁性層和MgO絕緣層，提高磁性隧道結的性能。溫度對薄膜的結晶性和附著力等性能有著重要影響。當襯底溫度較低時，濺射原子在襯底表面的擴散能力較弱，原子來不及進行有序排列，薄膜容易形成無定形結構。這種無定形結構的薄膜可能存在較多的缺陷，其磁性能和電學性能都可能受到影響。在沉積CoFeB磁性層時，低溫可能導致磁性層的磁各向異性不穩定，飽和磁化強度降低。隨著襯底溫度的升高，原子的擴散能力增強，薄膜的結晶性提高，晶粒尺寸增大，結晶更加完整。適當提高襯底溫度，能夠增強薄膜與襯底之間的附著力。這是因為高溫下，薄膜和襯底之間的界面處原子的相互擴散和化學反應增強，形成了更牢固的結合。在制備CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結時，適當提高溫度可以改善CoFeB磁性層與襯底以及MgO絕緣層與CoFeB磁性層之間的附著力，提高磁性隧道結的穩定性。如果襯底溫度過高，可能會導致襯底和薄膜的熱膨脹系數差異增大，產生熱應力，反而會降低附著力。過高的溫度還可能導致薄膜中的元素擴散加劇，影響薄膜的成分和性能。在退火過程中，溫度過高可能會使CoFeB磁性層和MgO絕緣層之間的界面發生變化，導致隧道磁電阻效應降低。因此，在制備過程中，需要根據不同的薄膜材料和工藝要求，合理控制溫度。在磁控濺射沉積過程中，襯底溫度一般控制在室溫至200℃之間；在退火處理時，溫度一般在250-350℃之間。為了優化這些關鍵參數，需要進行大量的實驗研究。通過設計多組實驗，分別改變濺射功率、氣壓、溫度等參數，制備一系列CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結樣品。然后，利用X射線衍射（XRD）、高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）、原子力顯微鏡（AFM）等技術對樣品的晶體結構、微觀形貌和界面質量進行詳細分析。利用振動樣品磁強計（VSM）、超導量子干涉儀（SQUID）等設備測量樣品的磁性能，采用四探針法、電流-電壓（I-V）測量等技術測試樣品的電學性能。通過對實驗數據的分析，建立起參數與薄膜質量和性能之間的關系模型。根據模型，確定最佳的制備參數范圍，以實現高質量CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的制備。在實際制備過程中，還需要考慮設備的穩定性、重復性等因素，對參數進行微調，以確保制備出的磁性隧道結性能穩定、一致性好。3.4制備過程中的注意事項與問題解決在CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的制備過程中，可能會出現多種影響薄膜質量和器件性能的問題，需要格外注意并采取相應的解決措施。薄膜不均勻是常見問題之一。在磁控濺射過程中，若靶材表面的濺射不均勻，會導致沉積到襯底上的薄膜厚度不一致，進而影響磁性隧道結的性能。當濺射靶材表面存在雜質或磨損不均勻時，會使不同區域的濺射原子數量和能量分布不同，導致薄膜厚度出現差異。襯底的溫度分布不均勻也會對薄膜的生長產生影響，溫度較高的區域原子遷移能力較強，薄膜生長較快；溫度較低的區域原子遷移能力較弱，薄膜生長較慢，從而導致薄膜厚度不均勻。為解決這一問題，可對濺射設備進行定期維護和清潔，確保靶材表面的清潔和平整，減少雜質和磨損對濺射均勻性的影響。在濺射過程中，采用旋轉襯底或多靶濺射的方式，使襯底能夠均勻地接收濺射原子，提高薄膜的均勻性。通過優化襯底的加熱方式，如采用均勻加熱的襯底支架或增加溫度控制系統，確保襯底溫度分布均勻，從而改善薄膜的均勻性。氧化問題也不容忽視。在制備過程中，CoFeB磁性層和MgO絕緣層都有可能被氧化，這會嚴重影響磁性隧道結的性能。當系統的真空度不足時，空氣中的氧氣會進入真空室，與薄膜表面的原子發生反應，導致薄膜氧化。在薄膜沉積完成后，如果暴露在空氣中的時間過長，也容易被氧化。氧化會使CoFeB磁性層的磁性發生變化，如飽和磁化強度降低、磁各向異性改變等，從而影響磁性隧道結的磁性能。氧化還會使MgO絕緣層的絕緣性能下降，增加電子的散射，降低隧道磁電阻效應。為防止氧化，在制備過程中要確保系統的真空度達到要求，一般需將本底真空度控制在10??-10??Pa。在薄膜沉積完成后，應盡快進行后續處理或封裝，減少薄膜與空氣的接觸時間。在退火處理時，采用真空退火或在惰性氣體（如氬氣）保護下進行退火，避免樣品在退火過程中被氧化。界面質量不佳也是制備過程中需要解決的重要問題。CoFeB磁性層與MgO絕緣層之間的界面質量對磁性隧道結的性能有著關鍵影響。如果界面存在缺陷、粗糙度較大或晶格失配嚴重，會增加電子散射，降低電子的隧穿概率，從而減小隧道磁電阻效應。在濺射沉積過程中，工藝參數的不合理設置，如濺射功率過高、氣壓過大等，會導致薄膜生長不均勻，界面粗糙度增加。襯底表面的清潔程度也會影響界面質量，若襯底表面存在雜質，會阻礙薄膜與襯底的良好結合，導致界面缺陷增多。為改善界面質量，需要優化制備工藝參數，精確控制濺射功率、氣壓、溫度等參數，確保薄膜生長均勻，減少界面缺陷。在襯底準備階段，對襯底進行嚴格的清洗和預處理，去除表面的雜質和氧化物，提高襯底表面的平整度和清潔度，為薄膜的生長提供良好的基礎。在薄膜沉積過程中，可以采用緩沖層或過渡層的方式，改善CoFeB磁性層與MgO絕緣層之間的晶格匹配度，減少界面應力，提高界面質量。通過對制備過程中可能出現的薄膜不均勻、氧化、界面質量不佳等問題的重視，并采取相應的解決措施，可以有效提高CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的制備質量，為其在自旋電子學領域的應用奠定堅實的基礎。四、CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的結構與特性表征4.1結構表征技術在對CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的研究中，深入了解其結構和微觀形貌是探究其性能的基礎，而X射線衍射（XRD）、高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）、原子力顯微鏡（AFM）等技術為我們提供了有效的研究手段。X射線衍射（XRD）技術基于布拉格定律，當一束單色X射線入射到晶體時，由于晶體是由原子規則排列成的晶胞組成，規則排列的原子間距離與入射X射線波長具有相同數量級，使得通過不同原子散射的X射線相互干涉，在某些特殊方向上產生衍射，衍射線的位置和強度的空間分布與晶體結構密切相關。在CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的研究中，XRD用于確定各層薄膜的晶體結構和取向。通過分析XRD圖譜中的衍射峰位置和強度，可以判斷CoFeB磁性層和MgO絕緣層是處于晶態還是非晶態。若MgO絕緣層呈現出尖銳的衍射峰，則表明其結晶質量良好；若衍射峰寬化或消失，則可能為非晶態結構。XRD還能分析薄膜的取向，如CoFeB磁性層是否具有特定的晶體取向，這對磁性隧道結的磁性能有重要影響。例如，當CoFeB磁性層具有特定的晶體取向時，其磁各向異性會發生變化，進而影響磁性隧道結的性能。高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）能夠實現對材料微觀結構的高分辨率成像，分辨率可達0.1-0.2nm。在研究CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結時，HRTEM可以清晰地觀察到各層薄膜的微觀結構，包括晶體結構、晶格缺陷等。通過HRTEM圖像，可以直觀地看到CoFeB磁性層和MgO絕緣層的界面原子排列情況，判斷界面是否存在缺陷、粗糙度以及晶格匹配程度。若界面處原子排列整齊，晶格匹配良好，則有利于電子的隧穿，提高隧道磁電阻效應；反之，若界面存在大量缺陷和粗糙度，會增加電子散射，降低隧道磁電阻效應。HRTEM還可以用于觀察薄膜中的位錯、層錯等晶格缺陷，這些缺陷會影響薄膜的力學性能和電學性能，進而影響磁性隧道結的性能。原子力顯微鏡（AFM）通過檢測微懸臂一端針尖與樣品表面原子間的微弱作用力，來獲取樣品表面形貌的信息。在CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的研究中，AFM主要用于測量薄膜的表面形貌和粗糙度。通過AFM圖像，可以直觀地看到薄膜表面的平整度和起伏情況。若薄膜表面粗糙度較小，說明薄膜生長均勻，有利于提高磁性隧道結的性能；而較大的表面粗糙度可能導致界面質量下降，增加電子散射，降低隧道磁電阻效應。AFM還可以測量薄膜表面的顆粒尺寸和分布情況，這些信息對于了解薄膜的生長機制和優化制備工藝具有重要意義。例如，通過分析AFM圖像中顆粒的尺寸和分布，可以判斷制備過程中薄膜的生長模式，從而調整制備工藝參數，獲得更均勻的薄膜。這些結構表征技術在CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的研究中各有側重，相互補充。XRD從宏觀角度提供晶體結構和取向信息，HRTEM深入到原子層面揭示微觀結構和界面細節，AFM則專注于表面形貌和粗糙度的分析。通過綜合運用這些技術，可以全面、深入地了解CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的結構和微觀形貌，為其性能研究和優化提供堅實的基礎。4.2磁性表征技術振動樣品磁強計（VibratingSampleMagnetometer，VSM）是研究CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結磁性特性的重要工具，它能夠精確測量磁滯回線、飽和磁化強度等關鍵磁性參數，為深入了解磁性隧道結的磁學性能提供重要依據。VSM的工作原理基于法拉第電磁感應定律。當樣品在恒定磁場中振動時，樣品的磁矩會在空間中產生變化，從而在檢測線圈中誘導電壓信號。具體而言，VSM主要由磁場生成系統、樣品振動系統、信號檢測系統和數據處理系統組成。磁場生成系統通常由電磁鐵或永磁體構成，可產生恒定或交變的強磁場，為測量樣品提供所需的外加磁場。電磁鐵通過控制電流大小可以精細調節磁場強度，而永磁體則可以提供更穩定的恒定磁場，但磁場強度無法動態調節。樣品振動系統利用高精度的電磁振動器帶動樣品進行垂直微小振動，振動頻率、振幅大小可以精確控制。同時配備光電傳感器，能夠精確測量樣品的振動位移，確保樣品振動的穩定性和線性。此外，樣品振動系統采用專業的隔振設計，避免外部干擾，確保樣品振動信號的純度和可靠性。信號檢測系統使用精密的感應線圈檢測振動樣品產生的微弱磁信號，并通過高增益放大器將信號放大至可測量的水平。根據法拉第電磁感應定律，樣品的振動運動會誘導感應線圈中產生電流信號，該電流信號正比于樣品的磁矩。信號檢測系統通過模數轉換器將模擬信號數字化，計算機軟件可對數字信號進行進一步處理和分析，得到樣品的磁滯特性。數據處理系統能夠自動采集樣品的磁性數據，并將其存儲在計算機系統中，為后續的數據分析和處理奠定基礎。強大的數據處理系統可以對采集的磁性數據進行分析，并以直觀的圖表形式展示出來，幫助用戶更好地理解和解釋測試結果。專業的數據處理軟件能夠自動繪制出樣品的磁滯回線，并計算出相關的磁性參數，為材料性能評估提供重要依據。在使用VSM測量CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的磁性參數時，需要遵循一定的方法。首先是樣品準備環節，對于薄膜樣品，由于其磁性通常較弱，需要特別注意樣品的尺寸和質量。一般要求薄膜樣品的尺寸控制在2mm以內，以確保在振動過程中樣品不會偏移，影響信號檢測的穩定性。同時，為了提高測量的準確性，盡量增加樣品的有效面積，例如可以通過多次沉積相同結構的磁性隧道結，增加樣品的厚度，從而增強磁性信號。對于塊狀樣品，同樣要確保其尺寸符合測試要求，并且表面平整，以保證樣品在磁場中能夠均勻受力，穩定振動。在安裝樣品時，將樣品固定在振動桿上，確保樣品處于磁場中心位置。調節樣品位置，使其在振動過程中始終保持穩定，不會與周圍部件發生碰撞或摩擦，以免產生額外的干擾信號。設定測試參數是測量過程中的關鍵步驟。根據測試需求設定外加磁場強度，最大磁場通常為±3T，可根據樣品的磁性強弱進行適當調整。對于CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結，由于其磁性較強，一般可以在較大的磁場范圍內進行測量，以全面了解其磁滯特性。測試溫度默認在室溫下進行，若需研究磁性隧道結在不同溫度下的磁性變化，可以通過連接變溫設備，如物理性能測量系統（PPMS），實現對溫度的精確控制。數據點數通常設置為120-150點，以保證能夠準確描繪出磁滯回線的形狀。點數過少可能會丟失一些關鍵信息，導致對磁性參數的計算不準確；點數過多則會增加測量時間和數據處理的難度。啟動振動系統后，開啟振蕩器和驅動線圈，帶動樣品在外加磁場中以固定頻率振動。樣品在磁場中的振動會在檢測線圈中產生感應電壓，通過鎖相放大器放大并提取出與樣品磁矩成正比的信號。鎖相放大器能夠有效去除噪聲干擾，提高信號的質量，確保測量的準確性。在數據采集階段，系統在鎖相放大器的作用下，采集樣品在不同磁場強度下的磁性響應數據。記錄得到的直流電壓，即樣品總磁矩的電壓信號和磁場強度信號，形成完整的磁滯回線或磁化曲線。完成測試后，將數據導入分析軟件，通過圖示化處理得到磁滯回線圖。根據回線中的關鍵特征點，如飽和磁化強度點、矯頑力點、剩磁點等，可提取出樣品的飽和磁化強度、矯頑力、剩磁等重要磁性參數。進一步分析磁滯回線的形狀、對稱性等特征，還可以深入了解樣品的磁性各向異性、磁矩耦合等情況。例如，通過分析磁滯回線的矩形度，可以判斷磁性隧道結中磁性層的磁矩取向一致性；通過比較不同方向的磁滯回線，能夠研究磁性隧道結的磁各向異性特性。4.3電學特性表征技術在研究CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的電學特性時，四探針法、電流-電壓（I-V）測量等技術發揮著關鍵作用，它們能夠精確測量磁性隧道結的電阻、TMR值等電學參數，為深入理解其電學性能提供重要依據。四探針法是一種廣泛應用于測量材料電阻的技術，其原理基于在一塊相對于探針間距可視為半無窮大的均勻電阻率的樣品上，設置兩個點電流源。當電流由一個點電流源流入，從另一個點電流源流出時，在樣品上另外兩個探針的位置會產生電勢差。具體到CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的測量中，將四根前端精磨成針尖狀的金屬細棒作為探針。其中，1、4號探針與高精度的直流穩流電源相聯，用于提供穩定的電流；2、3號探針與高精度（精確到0.1μV）數字電壓表或電位差計相聯，用于測量電壓降。對于大塊狀或板狀的磁性隧道結試樣（尺寸遠大于探針間距），四根探針可以排列成一條直線，探針間可以是等距離也可是非等距離；對于細條狀或細棒狀試樣，四根探針呈正方形或矩形排列更為有利。當穩流源通過1、4探針提供給試樣一個穩定的電流時，在2、3探針上測得一個電壓值V23。根據相關公式，結合電流值和電壓值，即可計算出磁性隧道結的電阻。在測量回路中，穩流電路中的導線電阻和探針與樣品的接觸電阻與被測電阻串聯在穩流電路中，不會影響測量的結果。在測量回路中，與數字電壓表內阻串聯的電阻，當被測電阻很小（例如小于1Ω），而電壓表內阻很大時，其對實驗結果的影響在有效數字以外，測量結果足夠精確。電流-電壓（I-V）測量技術通過測量磁性隧道結兩端的電壓與通過的電流之間的關系，來獲取其電學特性。在測量時，使用源表等設備，逐漸改變施加在磁性隧道結兩端的電壓，同時精確測量通過的電流。對于CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結，當兩個CoFeB磁性層的磁矩方向平行時，其處于低電阻狀態，在相同電壓下通過的電流較大；當磁矩方向反平行時，處于高電阻狀態，通過的電流較小。通過繪制I-V曲線，可以清晰地觀察到磁性隧道結在不同磁矩狀態下的電阻變化情況。從I-V曲線中，可以得到磁性隧道結的電阻值，以及電阻隨電壓的變化趨勢。還可以通過計算不同電壓下的電阻變化率，來分析磁性隧道結的非線性特性。在分析I-V曲線時，若曲線呈現出明顯的非線性，說明磁性隧道結存在一些特殊的電學性質，如隧道效應等。此時，需要進一步研究其微觀機制，以深入理解磁性隧道結的電學性能。通過四探針法和電流-電壓（I-V）測量技術獲得磁性隧道結的電阻數據后，就可以計算其隧道磁電阻（TMR）值。TMR值的計算公式為：TMR=（Rap-Rp）/Rp×100%，其中Rap為兩個CoFeB磁性層磁矩反平行時的電阻，Rp為磁矩平行時的電阻。TMR值反映了磁性隧道結在不同磁矩狀態下電阻的相對變化程度，是衡量其性能的重要指標。較高的TMR值意味著磁性隧道結在磁矩狀態切換時電阻變化明顯，有利于在磁隨機存儲器等應用中實現數據的可靠存儲和讀取。在實際測量中，為了提高TMR值的測量準確性，需要多次測量不同磁矩狀態下的電阻，并取平均值進行計算。同時，要注意測量環境的穩定性，避免溫度、電磁干擾等因素對測量結果的影響。這些電學特性表征技術在研究CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結時相互補充，四探針法準確測量電阻，電流-電壓（I-V）測量揭示電阻與電壓的關系，進而通過計算得到TMR值。通過綜合運用這些技術，可以全面、深入地了解磁性隧道結的電學性能，為其性能優化和應用開發提供有力支持。五、CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的特性研究5.1磁性能特性CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的磁性能特性對其在自旋電子學器件中的應用至關重要，其中飽和磁化強度、矯頑力和垂直磁各向異性等參數是衡量其磁性能的關鍵指標，這些參數受到多種因素的綜合影響。飽和磁化強度是磁性材料的重要參數之一，它反映了材料在飽和磁場下的磁化程度。在CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結中，CoFeB磁性層的成分對飽和磁化強度有著顯著影響。CoFeB是一種由鈷（Co）、鐵（Fe）和硼（B）組成的合金，不同的成分比例會導致其電子結構和磁性發生變化。當Co含量較高時，由于Co的3d電子結構特點，其對飽和磁化強度的貢獻較大，使得磁性隧道結的飽和磁化強度增加。硼（B）的含量也會影響飽和磁化強度，適量的B可以調節CoFeB的晶體結構和電子態密度，優化磁性性能。當B含量過高時，可能會導致非磁性相的出現，從而降低飽和磁化強度。CoFeB磁性層的厚度對飽和磁化強度也有影響。隨著CoFeB磁性層厚度的增加，其內部的磁矩數量增多，飽和磁化強度會相應增大。當厚度增加到一定程度后，由于磁性層內部的磁疇結構變化以及界面效應的影響，飽和磁化強度的增長趨勢會逐漸變緩。在實際應用中，需要綜合考慮CoFeB磁性層的成分和厚度，以獲得合適的飽和磁化強度，滿足不同器件的性能需求。矯頑力是指使磁性材料的磁化強度降為零所需施加的反向磁場強度，它反映了磁性材料抵抗磁化方向變化的能力。在CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結中，界面粗糙度會對矯頑力產生影響。當CoFeB磁性層與MgO絕緣層之間的界面粗糙度較大時，界面處的磁矩分布不均勻，存在較多的磁疇壁釘扎點，這使得磁矩翻轉時需要克服更大的阻力，從而導致矯頑力增大。制備工藝中的濺射功率、氣壓等參數會影響薄膜的生長質量，進而影響界面粗糙度。較高的濺射功率可能會導致原子沉積速率過快，使得薄膜生長不均勻，界面粗糙度增加，從而增大矯頑力。退火處理也會影響矯頑力。適當的退火處理可以消除薄膜內部的應力，改善晶體結構和界面質量，減少磁疇壁釘扎點，從而降低矯頑力。如果退火溫度過高或時間過長，可能會導致磁性層的晶粒長大，磁各向異性發生變化，反而使矯頑力增大。因此，在制備過程中，需要精確控制退火工藝參數，以獲得合適的矯頑力。垂直磁各向異性是CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的重要特性之一，它決定了磁矩的易磁化方向垂直于薄膜平面。在CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結中，界面各向異性對垂直磁各向異性起著關鍵作用。CoFeB磁性層與MgO絕緣層之間的界面原子排列和電子云分布會導致界面處產生額外的各向異性能。當界面處的原子形成良好的化學鍵合，且電子云分布在垂直方向上具有優勢時，會增強垂直磁各向異性。通過優化制備工藝，如控制濺射參數、采用合適的緩沖層等，可以改善界面質量，增強界面各向異性，從而提高垂直磁各向異性。在濺射沉積過程中，精確控制濺射功率、氣壓和溫度等參數，能夠使CoFeB磁性層與MgO絕緣層之間形成高質量的界面，增強垂直磁各向異性。使用Ta等緩沖層，可以調節界面的晶格匹配度，減少界面應力，進一步增強垂直磁各向異性。飽和磁化強度、矯頑力和垂直磁各向異性等磁性能特性在CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結中相互關聯、相互影響。合適的飽和磁化強度有助于增強自旋極化電流，提高隧道磁電阻效應；較低的矯頑力有利于實現快速的磁矩翻轉，提高器件的讀寫速度；而較強的垂直磁各向異性則能夠保證磁矩的穩定取向，提高器件的存儲密度和穩定性。在實際應用中，需要綜合考慮這些磁性能特性，通過優化制備工藝和材料參數，實現磁性隧道結性能的最優化，以滿足磁隨機存儲器、磁傳感器等自旋電子學器件的不同應用需求。5.2電學性能特性CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的電學性能特性是其在自旋電子學應用中的關鍵性能指標，其中電阻、TMR值以及電流-電壓（I-V）特性等參數相互關聯，受到結構和磁性能等多方面因素的綜合影響。電阻是磁性隧道結的基本電學參數之一，其大小與結構密切相關。絕緣層MgO的厚度對電阻有著顯著影響。當MgO絕緣層較薄時，電子的隧穿概率較大，電阻較低。隨著MgO絕緣層厚度的增加，電子隧穿勢壘增大，隧穿概率降低，電阻顯著增大。當MgO絕緣層厚度從1納米增加到2納米時，磁性隧道結的電阻可能會增大數倍。CoFeB磁性層的厚度和質量也會影響電阻。較厚的CoFeB磁性層可以提供更多的自旋極化電子，在一定程度上降低電阻。如果CoFeB磁性層存在缺陷或雜質，會增加電子散射，導致電阻增大。界面質量對電阻的影響也不容忽視。CoFeB磁性層與MgO絕緣層之間的界面粗糙度、晶格匹配度等因素會影響電子的隧穿過程。若界面粗糙度較大，電子在隧穿過程中會發生更多的散射，從而增大電阻。良好的晶格匹配度有助于電子的隧穿，降低電阻。通過優化制備工藝，改善界面質量，可以有效降低電阻。在磁控濺射制備過程中，精確控制濺射參數，如濺射功率、氣壓和溫度等，可以獲得高質量的界面，降低電阻。隧道磁電阻（TMR）值是衡量CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結性能的重要指標，它與磁性能和結構密切相關。當兩個CoFeB磁性層的磁矩方向平行時，電子的隧穿概率較大，磁性隧道結處于低電阻狀態；當磁矩方向反平行時，電子隧穿概率較小，磁性隧道結處于高電阻狀態。TMR值反映了這兩種狀態下電阻的相對變化程度，其計算公式為：TMR=（Rap-Rp）/Rp×100%，其中Rap為兩個CoFeB磁性層磁矩反平行時的電阻，Rp為磁矩平行時的電阻。CoFeB磁性層的飽和磁化強度和自旋極化率對TMR值有重要影響。較大的飽和磁化強度有助于增強自旋極化電流，提高TMR值。高自旋極化率的CoFeB磁性層能夠發射更多具有特定自旋方向的電子，為實現高效的自旋相關輸運奠定基礎，進而提高TMR值。通過精確控制CoFeB磁性層的成分和厚度，可以優化其磁性參數，提高TMR值。絕緣層MgO的晶體結構和界面質量也會影響TMR值。MgO（001）面與CoFeB的晶格匹配度較高，能夠形成高質量的界面，有利于電子的隧穿，提高TMR值。如果界面存在缺陷、粗糙度較大或晶格失配嚴重，會增加電子散射，降低電子的隧穿概率，從而減小TMR值。通過優化制備工藝，改善MgO絕緣層的晶體結構和界面質量，可以有效提高TMR值。在退火處理過程中，適當的退火溫度和時間可以促進MgO絕緣層的結晶，改善界面質量，提高TMR值。電流-電壓（I-V）特性是研究CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結電學性能的重要方面。在測量I-V特性時，使用源表等設備，逐漸改變施加在磁性隧道結兩端的電壓，同時精確測量通過的電流。當兩個CoFeB磁性層的磁矩方向平行時，在相同電壓下通過的電流較大；當磁矩方向反平行時，通過的電流較小。通過繪制I-V曲線，可以清晰地觀察到磁性隧道結在不同磁矩狀態下的電阻變化情況。從I-V曲線中，可以得到磁性隧道結的電阻值，以及電阻隨電壓的變化趨勢。還可以通過計算不同電壓下的電阻變化率，來分析磁性隧道結的非線性特性。在低電壓范圍內，I-V曲線通常呈現出較好的線性關系，電阻基本保持不變。隨著電壓的增加，可能會出現非線性現象，電阻會發生變化。這可能是由于電子的隧穿過程受到電壓的影響，或者磁性隧道結內部的微觀結構發生了變化。在高電壓下，可能會發生電子的非彈性隧穿，導致電阻增大。I-V特性還與磁性隧道結的溫度、磁場等外部條件有關。在不同溫度下，I-V曲線會發生變化，溫度升高可能會導致電阻增大，TMR值降低。施加外部磁場也會影響I-V特性，磁場可以改變磁性層的磁矩方向，從而改變磁性隧道結的電阻狀態。電阻、TMR值和電流-電壓（I-V）特性等電學性能特性在CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結中相互關聯。合適的電阻值有助于實現高效的電子輸運，為TMR效應的實現提供基礎。高TMR值則使得磁性隧道結在磁矩狀態切換時電阻變化明顯，有利于在磁隨機存儲器等應用中實現數據的可靠存儲和讀取。電流-電壓（I-V）特性反映了磁性隧道結在不同電壓下的電學行為，為其在電路中的應用提供了重要依據。在實際應用中，需要綜合考慮這些電學性能特性，通過優化制備工藝和結構設計，實現磁性隧道結電學性能的最優化，以滿足不同自旋電子學器件的應用需求。5.3熱穩定性和可靠性熱退火處理作為改善CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結性能的重要手段，對其熱穩定性和可靠性有著深遠影響。在自旋電子學器件的實際應用中，熱穩定性和可靠性是衡量器件性能優劣的關鍵指標，直接關系到器件的使用壽命和工作穩定性。熱退火處理能夠顯著影響磁性隧道結的結構和性能。從結構方面來看，適當的熱退火處理可以促進薄膜內部原子的擴散和重新排列，改善晶體結構。在制備態下，CoFeB磁性層和MgO絕緣層可能存在晶格缺陷、位錯等結構缺陷，這些缺陷會影響電子的輸運和磁性隧道結的性能。通過熱退火處理，原子獲得足夠的能量進行遷移，晶格缺陷得以修復，晶體結構更加完整。熱退火處理還能改善CoFeB磁性層與MgO絕緣層之間的界面質量。在制備過程中，界面處可能存在粗糙度較大、晶格失配等問題，導致界面質量不佳。熱退火處理可以使界面處的原子發生擴散和化學反應，減小界面粗糙度，改善晶格匹配度，從而提高界面質量。通過高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）觀察發現，經過熱退火處理后的CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結，其界面更加平整，原子排列更加有序。熱退火處理對磁性隧道結的磁性能也有重要影響。在磁滯回線方面，熱退火處理可以改變磁性層的磁各向異性和磁矩耦合情況，從而影響磁滯回線的形狀和參數。適當的熱退火處理可以增強垂直磁各向異性，使磁滯回線在垂直方向上更加陡峭，提高磁性隧道結的穩定性。熱退火處理還能改善磁性層之間的磁矩耦合，使磁滯回線的矩形度更好，有利于提高磁性隧道結在磁隨機存儲器等應用中的性能。飽和磁化強度和矯頑力等磁性能參數也會受到熱退火處理的影響。合適的熱退火處理可以優化CoFeB磁性層的成分和結構，從而提高飽和磁化強度。熱退火處理還可以消除薄膜內部的應力，減少磁疇壁釘扎點，降低矯頑力，使磁矩更容易翻轉，提高器件的讀寫速度。從電學性能角度來看，熱退火處理對電阻和TMR值有著顯著影響。對于電阻，熱退火處理可以改變薄膜的微觀結構和界面質量，從而影響電子的散射情況。當界面質量得到改善，電子散射減少，電阻降低。經過熱退火處理后，CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的電阻可能會降低數倍。熱退火處理對TMR值的影響更為關鍵。由于熱退火處理改善了CoFeB磁性層的磁性和MgO絕緣層的晶體結構以及界面質量，使得電子的隧穿概率在磁矩平行和反平行狀態下的差異增大，從而提高了TMR值。研究表明，在適當的熱退火溫度和時間條件下，CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的TMR值可以提高數倍，甚至達到更高的水平。熱穩定性是衡量磁性隧道結在不同溫度環境下性能保持能力的重要指標。在實際應用中，磁性隧道結可能會面臨不同的溫度條件，如在電子設備運行過程中會產生熱量，導致溫度升高。熱穩定性好的磁性隧道結能夠在溫度變化時保持其磁性能和電學性能的穩定，確保器件的正常工作。熱退火處理對磁性隧道結的熱穩定性有著重要影響。經過適當熱退火處理的磁性隧道結，其熱穩定性得到顯著提高。這是因為熱退火處理改善了薄膜的晶體結構和界面質量，增強了磁性層之間的磁矩耦合，使得磁性隧道結在溫度變化時能夠更好地抵抗熱擾動，保持其性能的穩定。通過在不同溫度下對熱退火處理前后的磁性隧道結進行性能測試，發現經過熱退火處理的磁性隧道結在高溫下的TMR值下降幅度明顯減小，磁滯回線的形狀和參數變化也較小，表明其熱穩定性得到了有效提高。可靠性是磁性隧道結在長期使用過程中保持性能穩定的能力。在實際應用中，磁性隧道結需要經受多次讀寫操作、溫度循環、電磁干擾等考驗，其可靠性直接影響到整個系統的穩定性和壽命。熱退火處理對磁性隧道結的可靠性也有積極作用。通過改善薄膜的結構和性能，熱退火處理可以減少磁性隧道結在使用過程中的性能退化。在多次讀寫操作后，經過熱退火處理的磁性隧道結的電阻和TMR值變化較小，表明其可靠性更高。熱退火處理還可以增強磁性隧道結對電磁干擾的抵抗能力，提高其在復雜電磁環境下的穩定性。熱退火處理在改善CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結的結構、磁性能和電學性能方面發揮著重要作用，進而顯著提高了其熱穩定性和可靠性。在實際應用中，合理選擇熱退火處理的溫度、時間和氣氛等參數，能夠優化磁性隧道結的性能，使其更好地滿足磁隨機存儲器、磁傳感器等自旋電子學器件在不同工作環境下的需求，為自旋電子學器件的發展和應用奠定堅實的基礎。5.4自旋轉移矩效應（STT）自旋轉移矩效應（Spin-TransferTorque，STT）是指在鐵磁/非磁/鐵磁