•  2005年度工作进展

通过对自旋电子学中的一些重要磁性隧道结材料、相关物理问题和器件原理的研究， 2005 年获得一些重要的阶段性成果：

(1) 自旋相关的振荡隧穿磁电阻效应 的观测

已制备出 4.2K 隧穿磁电阻 TMR 高于 100% 的高质量 Co-Fe-B 非晶双势垒磁性隧道结。 我们 在一种 Co-Fe 双势垒磁性隧道结中，首次观测到了反平行状态下电导率、磁电阻和 TMR 值随外加直流电流或偏压增大而发生振荡变化的量子效应 , 这种自旋相关的量子效应，在自旋激化电子的输运、调控和器件应用方面具有重要意义 [ 参见图 1 ， 2005 年美国应用物理学会年会特邀报告、 Phys. Rev. B 72 (2005) 05 4419-1-5] 。 由此，我们还设计了一种基于这种双势垒磁性隧道结共振隧穿效应的自旋晶体管，提前一年提交了中国发明专利申请［ 申请号： 200410080016.4 ］, 2005 年国际专利申请已进入 PCT 公开状态 [PCT No. 200510064341.6 ] 。为今后研发有自主知识产权的自旋晶体管原理型器件奠定了物理基础。

图１ . 在 Co-Fe 双势垒磁性隧道结中，反平行状态下电导率、磁电阻和

隧穿磁电阻比值 TMR 随外加直流电流或偏压增大而发生的振荡变化 。

•  纳米点接触和纳米限制的磁电阻材料研制

2005 年我们在中爱国际合作项目基金的支持下， 利用微米和纳米加工方法制备了三种不同的纳米点接触和纳米限制的磁电阻材料，点接触和纳米限制的尺寸从 1 纳米到 30 纳米不等，均为我们和爱尔兰合作实验室目前采用各种实验方法所能达到的最小尺度。观测到的室温磁电阻的变化为 1% - 3% ，给出了迄今为止有关纳米点接触和纳米限制条件下比较令人信服的磁电阻数据。对澄清过去五年中国际上有关纳米接触磁电阻的争论具有重要参考价值。该项研究工作在美国 2005 年 3M 磁学年会上列为大会邀请报告 [ 参见图 2 ， J. Appl. Phys. 99(2006) 08C 501 & J. Appl. Phys. 99(2006) 08C 512 ] 。

(3) 反铁磁钉扎材料 CrPt 新发现与 FePt 有序相的低温诱导转变

具有 AuCu-I 型原子有序结构的 CrPt 反铁磁体拥有极高的奈耳温度和极好的化学稳定性，我们发现，等原子比的 Cr/Pt 多层膜在一定的退火温度下以原子扩散的方式形成有序相的 CrPt 薄膜，并对其邻近的铁磁薄膜 Co 90 Fe 10 产生强烈的交换偏置作用，单向各向异性能为 0.12erg/cm 2 ，与反铁磁 FeMn 的钉扎作用大小相当；这一体系的截止温度高达 600 ° C ，比现有反铁磁钉扎材料的最高值高出 150 ° C ，这种新的反铁磁材料可望在自旋阀尤其磁隧道结中发挥重要作用。此外，我们还发现，由于 AuCu 与 FePt 合金的晶体结构、晶格参数非常相近，将 AuCu 薄层生长在 FePt 薄膜的下方，它们之间相干生长，当激活能较低的 AuCu 在较低的温度下从原子无序转变为原子有序结构时， FePt 薄膜也同时发生从无序到有序相的转变，导致 FePt 薄膜的有序相转变温度大幅度下降 [ 参见图 3 ， Yun Zhu, and J. W. Cai, Appl. Phys. Lett. 87 (2005) 032504 and B. Dai, J. W. Cai and W. Y. Lai et al., Appl. Phys. Lett. 87 (2005) 092506] 。

(4) 界面插层增强反铁磁 CrPt 、 Ir-Mn 对铁磁层的钉扎作用

“Co 90 Fe 10 /Cr 50 Pt 50 ” 是我们 2005 年发现的一个新的交换偏置系统，其单向各向异性能为 0.12erg/cm 2 ，与反铁磁 FeMn 的钉扎作用大小相当；这一体系的截止温度高达 600 ° C ，比现有反铁磁钉扎材料的最高值高出 150 ° C 。在这一体系中，通过界面极小量 Mn 原子添加，形成结构与反铁磁 Cr 50 Pt 50 相似的 L1 0 相 (Cr 1- d Mn d ) 50 Pt 50 反铁磁界面层，由于 “ 铁磁／反铁磁 ” 的界面海森堡相互作用的增加，亦或整个反铁磁体系的自旋结构、磁畴结构的改变，使该体系的交换偏置场增大三倍，其温度特性则依旧取决于具有极高奈耳温度的 Cr 50 Pt 50 层，因而其高稳定性完全保持不变。此外，我们还发现， 超薄 Co 100-x Fe x （ 30 ￡ x ￡ 50 ）层作为界面插层使 Ir 25 Mn 75 /Co 90 Fe 10 体系的交换偏置场增大一至两倍，同时，矫顽力稍有增大，交换偏置作用通过界面铁磁原子磁矩调节的方式获得极大增强，而矫顽力除了 “ 铁磁／反铁磁 ” 交换作用的贡献外，铁磁层织构的变化也有相当的贡献 [ 参见 Fig.5 和 Fig.6 ， B. Dai, J. W. Cai, and W. Y. Lai, et al., J. Appl. Phys. 99 (2006) 073902; Jing Ni, J. W. Cai and W. Y. Lai et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 39 (2006) 730].

论文发表和学术交流情况

(1) List of Publications in 2005

[1] Oscillatory Tunnel Magnetoresistance in Double Barrier Magnetic Tunnel Junctions

Z. M. Zeng, X. F. Han*, W. S. Zhan, Y. Wang, Z. Zhang, and S. Zhang.

Phys. Rev. B. 72 (2005) 05 4419-1-5

[2] Low-temperature ordering of FePt thin films by a thin AuCu underlayer

Y. Zhu, J. W. Cai

Appl. Phys. Lett. 87(2005) 32504

[3] Large exchange bias and high stability of CoFe/CrPt films with L10 CrPt as the pinning layer

B. Dai, J. W. Cai

Appl. Phys. Lett. 87(2005) 92506

[4] Thermal stability of Ir-Mn/Co-Fe-B/Al-O/Co-Fe-B tunnel junctions

F. F. Li, R. Sharif, L. X. Jiang, X. Q. Zhang, X. F. Han*, Y. Wang, and Z. Zhang

J. Appl. Phys. 98 (2005)113710-4.

[5] Controlled Fabrication of Nickel Perpendicular Nanocontacts using Focused Ion beam Milling

H. X. Wei ， R M. Langford ， X. F. Han *, J. M. D. Coey

J. Appl. Phys. 99 (2006) 08C 501.

[6] Magnetoresistance nickel nanocontacts fabricated by three different methods.

H. X. Wei, T. X. Wang , X. F. Han * , R M. Langford , and J. M. D. Coey

J. Appl. Phys. 99 (2006) 08C 512..

[7] Current-induced butterfly shaped domains and magnetization switching in MTJs,

X. F. Han , S. F. Zhao, and Andrew C. C. Yu

Science and Technology of Advanced Materials 6/7 (2005) 784-788.

[8] Tunneling current-induced butterfly-shaped domains and magnetization switching in DBMTJs

S. F. Zhao, J. Zhao, Z. M. Zeng, X. F. Han*, Y. Ando, and T. Miyazaki.

IEEE Trans. Magn. 41 ( 10 ) (200 5 ) 2636-2638.

[9] Magnetic tunnel junctions with MgO/Al-O composite barriers

F. F. Li, L. X. Jiang, R. Sharif, X.Q. Zhang, Y. Q. Feng, X. F. Han *

Chinese Phys. Lett. 22 (No.8) (2005) 2043-2046.

[10] 86% TMR at 4.2K for amorphous magnetic-tunnel-junctions with Co 60 Fe 20 B 20 as free and pinned layers

F. F. Li, X. F. Han, L. X. Jiang, J. Zhao, L. Wang, and Rehana Sharif.

J. Mater. Sci. Technol. 21 (2005) 289-291.

[11] Magnetoresistance in La 2/3 Ca 1/3 MnO 3 /La 2/3 Sr 1/3 CoO 3 bilayers

J.F. Feng, K. Zhao , Y.H. Huang, S. Zhao, H.B. Lu, J. Zhao, X.F. Han, W. Zhan, H.K. Wong,

Physica B 369 , 261(2005).

[12] Current-induced Resistive Effect in Cu/MgO/La 0.9 Sr 0.1 MnO 3 Trilayers on SrTiO 3 (001) Substrates

J. F. Feng, K. Zhao, Y. H. Huang, J. G. Zhao, H. B. Lu, M. He, X. F. Han, W. S. Zhan

Chinese Physics Letter 22 , 2936(2005).

[13] Magnetic and Crystalline Microstructures of the Sr-La-Co M-type Ferrites by Magnetic Force Microscopy

Y. K. Fang, B. M. Ding, Z. Y. Pang, B. Y. Wang, D. X. Bao, S. H. Han, B. S. Han

Chin. Phys. Let t.22, 942(2005)

[14] Magnetic and crystalline microstructures of Fe-Pt-B nanocomposite ribbons

Y. K. Fang, C. W. Chang, W. C. Chang, A. L. Xia, Q. Chen, H. L. Ge, B. S. Han

Chin. Phys. Lett. 22, 1776(2005)

[15] Microstructure and magnetic microstructure of the Pr60Al10Ni10Cu20-xFex(x=0,4,10,15,18) alloys observed by magnetic force microscopy

Z.Y. Pang, S. H. Han, Y. T. Wang, W. H. Wang, B. S. Han

J. Magn. Magn. Mater. 288, 478 (2005)

(2) 国际会议特邀报告 ：

[1] Magnetoelectric properties of double barrier magnetic tunnel junctions with variable Co-Fe-B middle free layer ( Invited )

X. F. Han, Z. M. Zeng, Y. Wang, and R. Sharif, Z. Zhang, and Y. D. Yao

The 2 nd Asian Forum on Magnetics, Young Pyeong , Korea , Dec. 8-10, 2005.

[2] Controlled Fabrication of Nickel Perpendicular Nanocontacts using Focused Ion beam Milling ( Invited )

H. X. Wei ， R M. Langford ， X. F. Han , J. M. D. Coey

50 th annual conference on magnetism and magnetic materials, San Jose , California , Oct.30-Nov.3, 2005.

[3] Conductance and magnetoresistance oscillation effects in double barrier magnetic tunnel

Junctions , X. F. Han and Z. M. Zeng ( Invited ),

International Symposium on Spintronics and Advanced Magnetic Technologies and

International Symposium on Magnetic Materials and Applications

(ISAMT/SOMMA 2005), August 24-27, 2005, Taipei , Taiwan .

[ 4 ] Tunneling Magnetoresistance Oscillation Effect in Double-Barrier Magnetic Tunnel Junctions ( Invited ), X. F. Han and Z. M. Zeng

The March 2005 Meeting of the American Physical Society, March 21-25, Los Angeles , CA .

ID: TMAG- 05-02-0686 , Paper Type: 5 Intermag Conference Paper A

(3) 国际会议论文 ：

[ 1 ] Tunneling Current-Induced Butterfly-Shaped Domains and Magnetization Switching in Double-Barrier Magnetic Tunnel Junctions,

X. F. Han

The 2005 Inter. Magnetics Conference (INTERMAG 2005), April.4-8, 2005, Nagoya , Japan .

[2] Magnetoresistance nickel nanocontacts fabricated by three different methods .

H. X. Wei, T. X. Wang , X. F. Han , R M. Langford , and J. M. D. Coey

50 th annual conference on magnetism and magnetic materials, San Jose , California ,

Oct.30-Nov.3, 2005 .

[3] High V 1/ 2 in double barrier magnetic tunnel junction with amorphous CoFeB electrodes

Z. M. Zeng , H.X. Wei, L. X. Jiang, G. X. Du, W. S. Zhan, X. F. Han* and Y. D. Yao

50 th annual conference on magnetism and magnetic materials, San Jose , California ,

Oct.30-Nov.3, 2005. ( Poster presentation) .

[4] High magnetoresistance in Co-Fe-B based double barrier magnetic tunnel junctions

Z. M. Zeng, H. X. Wei , L. X. Jiang , G. X. Du, W. S. Zhan, and X. F. Han ( Oral )

Inter. Symposium on Phys. of Magn. Mater. (ISPMM) 2005, Sept.14th-16th, Singapore

[5] Controlled fabrication of nano-scale double barrier magnetic tunnel junctions using focused ion beam milling method

H. X. Wei, T. X. Wang, Z. M. Zeng, X. Q. Zhang, J. Zhao, X. F. Han ( Oral )

Inter. Symposium on Phys. of Magn. Mater. (ISPMM) 2005, Sept.14th-16th, Singapore

(4) 国内会议和国际双边会议特邀报告 ：

[ 1 ] Oscillatory tunneling magnetoresistance and high tunneling magnetoresistance in double-barrier magnetic tunnel junctions ( Invited )

X. F. Han , * Z. M. Zeng, Y. Wang, and Z . Zhang

UK-China Spintronics Workshop, Beijing , China , Oct.15-16, 2005.

[2] Over 100% TMR in amorphous magnetic-tunnel-junctions with hardcore structure of

Co-Fe-B/Al-O/Co-Fe-B at 4.2K ( Invited )

X. F. Han, F. F. Li, L. X. Jiang, Rehana Sharif, X. Q. Zhang, and W. S. Zhan

China-Japan Symp. on Strategy of Material Sustainability , No.023, p.38, April 28-29, 2005,

Beijing , China (Financial support by Tokyo University , Japan ).

[3] Oscillatory Conductance and Tunnel Magnetoresistance in Double Barrier Magnetic Tunnel Junctions ( Invited ),

X. F. Han

10 th Chinese Conference of Low Temperature Physics, Nanning , Oct.27-Nov.3, 2005.

2005 年课题组来访人员合作与交流：

2005 年课题组外出人员合作与交流：

III. 国际合作课题：

•  课题名称： 纳米接触磁电阻材料及其自旋电子输运性质的研究

Nano-restrictive magnetoresistance materials and their spin-polarized electron transport properties

国外合作单位： J. M. D. Coey 教授，爱尔兰都柏林大学圣三一学院

项目来源： 国家基金委 中爱重大国际合作项目

项目起止时间： 2004 年 1 月 -2007 年 12 月

•  课题名称： 图型磁隧道结的动态磁畴结构和反转性质研究

Dynamic domain structures and switching properties of patterned MTJs

国外合作单位：宫崎照 宣 教授、安藤 康夫副 教授，日本东北大学

项目来源： 国家基金委JSPS-NSFC 中日国际合作项目

项目起止时间： 2004 年 1 月 -2006 年 3 月

IV . 人才培养 ：

2005 年博士和硕士毕业生及论文题目