寬量子阱雙勢壘磁性隧道結中長程相位相干性研究獲進展

　　雙勢壘磁性隧道結利用在兩個平行絕緣層之間的超薄磁性金屬層形成二維量子阱(QW)，并通過調節金屬層厚度和磁矩方向來控制量子阱共振隧穿，是研究自旋相關的量子阱態、量子阱分立能級、量子阱共振隧穿磁電阻(QW-TMR)等自旋量子效應及自旋量子調控的標準結構，也是研發各種基于量子阱共振隧穿磁電阻效應的新型自旋電子學材料及量子阱共振隧穿二極管等重要單元器件的物理基礎。因此這一研究課題在凝聚態物理及自旋電子學和磁學研究領域一直被重點關注。

　　2006年中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室(籌)磁學國家重點實驗室M02課題組研究員韓秀峰領導的研究團隊，與美國橡樹嶺國家實驗室研究員張曉光以及中國人民大學教授盧仲毅合作，首次利用第一性原理計算方法研究和預測了Fe(001)/MgO/Fe/MgO/Fe 雙勢壘磁性隧道結(DBMTJ)中存在的量子阱態和量子阱共振隧穿磁電阻效應【Y. Wang, Z. Y. Lu, X.-G. Zhang, and X. F. Han, First-principles theory of quantum well resonance in double barrier MTJs , Phys. Rev. Lett. 97 (2006) 087210】。通過態密度計算發現：由于兩邊MgO勢壘的束縛作用，中間Fe層自旋多子的Δ1能帶會形成分立的量子阱能級。詳細第一性原理計算給出了量子阱能級E隨中間自由鐵層厚度d的變化關系，對所有量子阱能級與相累積模型都吻合很好，表明量子阱層的近自由電子特性；并且還提出當中間Fe層形成納米島狀顆粒(量子點)時，會導致庫侖阻塞效應。該項工作為進一步研究具有量子阱共振隧穿磁電阻效應的雙勢壘磁性隧道結提供了理論依據，受到國際同行的廣泛關注。隨后，國際上有關MgO雙勢壘磁性隧道結的一系列實驗研究都在借鑒這個理論計算結果，但由于制備高質量雙勢壘磁性隧道結具有工藝上的復雜性和挑戰性，實驗方面一直沒有達到預期的效果。為了保證電子在量子阱中的相位相干性，到目前為止，雙勢壘磁性隧道結中的共振隧穿現象只能在量子阱寬度為1～2 nm 范圍內被有限地觀測到，因此很難在量子阱中引入接觸端來直接調控量子阱能級位置。因為電子的退相干過程通常是由于界面粗糙度及非彈性散射引起的，為了抑制電子隧穿過程中的退相干效應，能在較寬的量子阱中實現共振隧穿效應，設計和優化新的雙勢壘磁性隧道結材料與結構是非常必要的。

　　該課題組進一步和其他國際同行的新近理論計算和實驗研究發現：簡式為AB2O4型的尖晶石氧化物(如：MgAl2O4、ZnAl2O4、SiMg2O4、SiZn2O4等)也很適合作為新型單晶磁性隧道結的勢壘材料，其能帶結構具有Δ1自旋過濾效應，并且與常用磁性隧道結電極材料的鐵磁金屬Fe、Co、FeCo 合金及半金屬Heusler合金Co2MnSi、Co2FeAl 等更加匹配，其晶格失配度相比MgO(001)單晶勢壘會更小(<1%)，有望觀測到巨大的隧穿磁電阻效應【J. Zhang, X.-G. Zhang, and X. F. Han, Spinel oxides: Δ1 spin-filter barrier for a class of MTJs, Appl. Phys. Lett. 100 (2012) 222401】；并利用磁控濺射方法初步制備出了基于非晶/多晶MgAl2O4勢壘和具有面內磁各向異性或垂直各向異性的CoFeB 薄膜及其CoFeB/MgAl2O4/CoFeB隧道結，觀測到了室溫和低溫下的隧穿磁電阻效應及其TMR比值【B. S. Tao, D. L. Li, X. F. Han et al., Perpendicular magnetic anisotropy in Ta|Co40Fe40B20|MgAl2O4 structures and perpendicular CoFeB|MgAl2O4|CoFeB MTJ, Appl. Phys. Lett. 105 (2014) 102407】。

　　基于上述探索，2014年該課題組進而通過與法國南錫讓拉莫研究所納米磁性和自旋電子學組研究員陸沅等專家合作，一同設計和開展了基于MgAl2O4單晶勢壘的核心結構為Fe(001)/MgAlOx/Fe(d)/MgAlOx/Fe的雙勢壘磁性隧道結的研究，并利用法國先進的單晶異質結構多層膜制備系統，成功地進行了樣品的系統制備和優化，其中中間Fe層厚度d分別為6.3 nm, 7.5 nm 和12.6 nm。并通過采用多種分析設備表征和自旋輸運性質的測量，在三種隧道結中均觀測到了電導隨偏壓的振蕩，且振蕩峰的數目隨Fe層厚度增加而增加，而振蕩峰位的位置和第一性原理計算及位相累積模型的模擬結果符合較好，證實了該振蕩行為確實來源于中間Fe層的量子阱態。在如此寬的量子阱中依然可以保持電子相位的相干性，是由于很好的Fe/MgAlOx界面及高質量的中間Fe層薄膜。由于MgAlOx和Fe晶格失配度很小，所以界面處應力較小，產生的位錯缺陷很少，所以在界面處的相位位移分布很小，從而增強了量子阱共振隧穿效應。最終在很寬的量子阱中(12 nm)以及從低溫到室溫(10 ~ 300 K)均可以觀測到電導隨偏壓的振蕩效應。該項實驗結果和重要階段性進展，已發表在《物理評論快報》雜志上【B. S. Tao, H. X. Yang,Y. L. Zuo, X. Devaux, G. Lengaigne, M. Hehn, D. Lacour, S. Andrieu, M. Chshiev, T. Hauet, F. Montaigne, S. Mangin, X. F. Han*, Y. Lu* , Long range phase coherence in double barrier MTJs with large thick metallic quantum well , Phys. Rev. Lett. 115 (2015) 157204】。

　　上述理論和實驗研究以及重要階段性進展，對繼續研究和利用雙勢壘磁性隧道結中的量子阱態及量子阱共振隧穿磁電阻效應、獲得更高的隧穿磁電阻比值、推動自旋電子學材料和物理的研究與核心器件的研發及應用，具有重要的學術價值和應用前景。

　　目前上述相關課題組正在繼續推動有關這一課題的合作與深入研究。

　　該項研究工作得到了國家自然科學基金委員會中法國際合作與交流基金項目、科技部重大研究計劃項目和中國科學院有關基金的資助。

 (a)平行態和(b)反平行態電導及(c)微分TMR對偏壓V的依賴關系；(d)不同厚度的量子阱的雙勢壘磁性隧道結其二階電導隨偏壓的變化關系；(e)振蕩峰位的實驗測量結果。