2006 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， 2006 年获得一些重要的阶段性成果：

(1) 常规磁随机存取存储器 MRAM 演示器件的研制

研制出 基于 “1 晶体管 + 1 椭圆型磁性隧道结 ” 为基本结构单元的常规型磁随机存取存储器 MRAM ，完成了用于 MRAM 芯片的演示电路版的设计、加工、调试以及检测程序的编制，并分别在 4 ′ 4 和 16 ′ 16 MRAM 原理型演示芯片中成功实现了写操作和读操作的现场演示。我们贯通了常规 MRAM 芯片的制备工艺过程， 获得了 MRAM 的制备经验， 为 发展实用型磁随机存取存储器（ MRAM ）技术和产品奠定了坚实的基础 。我们的工作表明：中国是少数几个有研制 MRAM 和开发能力的国家之一（目前只有美国、日本、德国、韩国、新加坡的大公司和国立研究所有研制 MRAM 的报道）， 我们 今后有 能力自主研究和发展具有 自主知识产权的 MRAM 等一类新一代自旋电子学原理型器件。我们的基础性 MRAM 研制工作和专利申请保护，对今后有能力打破国外技术封锁，从而分享这一领域里的部分国际先进技术，具有极其重要的现实意义和长远价值。

磁随机存储器 (MRAM) 是未来新一代计算机、信息和通信技术中的核心器件，具有数据非易失性、抗辐射性、高速、高密度、低功耗、长寿命等特点。 以计算机为例： (1) 磁随机存储器 (MRAM) 、 (2) 300 Gbit/inch 2 高密度高容量磁硬盘、 (3) 高频 CPU 、 (4) 大屏幕长寿命低功耗液晶显示器等，基本上构成了未来计算机的核心部件。因此， 新型磁随机存储器 (MRAM) 不仅对计算机更新换代起到重要推动作用，而且也对信息和通信技术中的信息快速交换、安全处理和永备保存等等，起到至关重要的作用。所以， 新型磁随机存储器 (MRAM) 技术是未来国家层面上的重要战略和经济技术。

(2) 新型磁随机存取存储器 MRAM 演示器件的研制

研制出一种 基于 “1 晶体管 + 1 纳米闭合型磁性隧道结 ” 为基本结构单元的新型磁随机存取存储器 MRAM 。 这种新型磁随机存取存储器摈弃了传统的采用椭圆形磁性隧道结作为存储单元和双线制脉冲电流产生和合成脉冲磁场驱动比特层磁矩翻转的做法，而是采用 100 纳米尺度下的磁矩闭合型磁性隧道结作为存储单元和正负脉冲极化电流直接驱动比特层磁矩翻转的工作原理，可以克服常规 MRAM 所面临的相对功耗高、存储密度低等瓶颈问题。目前利用 500 微安至 750 微安脉冲极化电流就可以直接驱动存储单元比特层的磁矩翻转，进行写操作，并有望进一步优化和降低写操作电流；利用 10 到 20 微安的脉冲电流可进行读操作。该原理型设计方案有诸多优点：（ 1 ）显著减小了写电流的大小，降低了功耗和热噪声。（ 2 ）显著降低了存储单元内部比特层和参考层之间以及近邻比特单元之间的静态和动态磁耦合，保证存储单元反转过程中写操作的均匀性和一致性，可以显著降低磁噪声。（ 3 ）该设计具有容易加工和微制备的优势，容易保证存储单元形状上的均匀性和一致性，更容易与现有的 0.18μm 、 0.13μm 、和 0.09μm 的半导体集成电路工艺相匹配，有望获得 256 Mbit/inch 2 或直至 6 Gbit/inch 2 以上的存储密度和容量。（ 4 ）在同样层状结构和材料的制备条件下，更容易获得高磁电阻 TMR 比值。（ 5 ）能显著简化磁性隧道结的结构和 MRAM 制备工艺过程，降低制造成本。 该种新型原理型器件 能为研制 256 Mbite/inch 2 和 1 ～ 6 Gbite/inch 2 以上密度和容量的 MRAM 器件 提供很好的合理结构和功能特性。 该项成果 2006 年 11 月 7 日 已通过中科院组织的成果鉴定， 专家鉴定委员会认为该项研究成果： “ 其原创性和新颖性显著，达到国际领先水平，具有广阔的应用前景 ” 。

(3) 自旋翻转长度测量和 自旋散射效应的研究

研究发展出一种利用纳米尺度的自旋电子学器件有效观测自旋翻转长度可达微米量级的新方法。即通过比较用同种材料（如 Co-Fe 和 Co-Fe-B  磁电极及 Al-O 势垒）和相同工艺制备出的高质量单势垒和双势垒隧道结的隧穿磁电阻可以有效获取自旋翻转的信息，发现在 4.2K 温度下、位于双势垒隧道结两个双势垒层中间的厚度小于一个纳米的超薄 Cu 层中，测出电子自旋翻转的长度可达到１～ 2 微米的量级，这个自旋翻转的长度比 Cu 层本身厚度大千倍以上，并且这个自旋翻转长度与声子对电子的散射相关。这种准确观测和研究自旋翻转长度的方法，对发展自旋电子学和设计自旋相关的各种器件，特别是对当前研制磁敏感传感器、磁存储器、自旋晶体管、磁逻辑和量子计算机等等，具有重要的参考价值。相关研究结果于 2006 年 9 月 8 日 已发表［ Z. M. Zeng, J. F. Feng, Y. Wang, X. F. Han, W. S. Zhan, X. G. Zhang, and Z. Zhang, Physical Review Letters 97, 106605 (2006) ］，并且被作为前沿研究焦点领域的论文、被全文收录在 2006 年 9 月 18 日由美国物理研究所和美国物理学会负责出版的 Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology 杂志上。

(4) 量子阱共振隧穿效应的研究

基于 Korringa-Kohn-Rostoker (KKR) 方法的第一性原理计算程序，定量计算研究了自旋阀型双势垒磁性隧道结 Fe(001)/MgO(001)/Fe(001)/MgO(001)/Fe(001) 中的量子阱以及量子阱共振隧穿效应。计算给出随着双势垒磁性隧道结中间 Fe(001)(d nm) 自由层厚度 d 的变化而存在的上百个量子阱态、以及这些量子阱态与偏置电压之间的关系和量子阱共振隧穿下的高隧穿磁电阻效应。相关研究结果已发表在 2006 年 8 月 25 日出版的物理评论快报上［ Y. Wang, Z. Y. Lu, X. G. Zhang, and X.F. Han, Physical Review Letters 97, 087210 (2006) ］，并且被作为前沿研究焦点领域的论文、被全文收录在 2006 年 9 月 4 日由美国物理研究所和美国物理学会负责出版的 Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology 杂志上。其相关的发明专利申请（申请号： 200610080970.2 ）已进入审查和公示阶段。 这一基于第一性原理的定量计算结果，对发展基于双势垒磁性隧道结和量子阱共振隧穿效应的自旋电子学器件，特别是对今后研制具有放大作用的自旋晶体管、实用型的磁存储器和磁逻辑等器件，具有重要的参考价值。因此，该项研究将具有重要学术影响，并对自旋晶体管器件设计有实际指导意义。

(5) 有机复合磁性隧道结的制备与研究

利用 LB 单分子膜做绝缘势垒层，成功制备出有机 LB 单分子膜复合磁性隧道结，并在室温下获得了高达 20% 的隧穿磁电阻 [ T. X. Wang, H. X. Wei, Z. M. Zeng, and X. F. Han*, Z. M. Hong and G. Q. Shi, Appl. Phys. Lett. 88(2006)242505] 。相关国际发明专利申请 2005 年已进入 PCT 公开状态。 国家专利局专利查新结果和鉴定结论为： “ 其新颖性、创新性和工业实用性显著 ” 。为发展有机复合材料和器件奠定了新的物理和材料基础，探索出了新的研究方向。

(6) 磁性隧道结的磁阻抗 (MI) 效应及其交流高频特性

与台北中央研究院物理研究所的合作者一起研究了单势垒磁性隧道结的磁阻抗 (MI) 效应和交流高频特性，发现磁性隧道结自由层和钉扎层的磁矩在平行态到反平行态下，其阻抗虚部的变化可超过 ±17000% 。并在 21.1 MHz 高频下 , 其阻抗 MI 与磁电阻 TMR 表现出完全相反的特性。 磁性隧道结的磁阻抗 (MI) 效应和交流高频特性，有望在高频传感器件方面得到应用 [W.C. Chien , C.K. Lo and L.C. Hsieh , Y.D. Yao, X.F. Han, Z.M. Zeng, T.Y. Peng and P. Lin, Appl. Phys. Lett. 89 (2006) 202515] 。

论文发表和学术交流情况

(1) List of Publications of M02 group in 2006

[1] First-principles theory of quantum well resonance in double barrier MTJs

Y. Wang, Z.Y. Lu, X.G. Zhang, and X. F. Han*,

Phys. Rev. Lett . 97 (2006) 087210.

[2] Probing spin flip scattering in ballistic nanosystems

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

Phys. Rev. Lett . 97 (10) (2006) 106605 .

[3] Magnetic/nonmagnetic/magnetic tunnel junction based on hybrid organic LB-films

T. X. Wang, H. X. Wei, Z. M. Zeng, and X. F. Han*, Z. M. Hong and G. Q. Shi

Appl. Phys. Lett. 88 (2006) 242505.

[4] Enhancement and inverse behaviors of magnetoimpedance in a MTJ by driving frequency

W.C. Chien , C.K. Lo and L.C. Hsieh , Y.D. Yao, X.F. Han, Z.M. Zeng, T.Y. Peng and P. Lin

Appl. Phys. Lett. 89 (2006) 202515 .

[5] Magnetic field dependent voltage-current characteristics in Fe3O4 thin films at RT

K. Zhao, J. F. Feng, Y. H. Huang, J. G. Zhao, H. B. Lu,

Appl. Phys. Lett. , 88 (2006) 052506.

[6] On annealing-induced amorphization and anisotropy in a ferromagnetic Fe-based film: A magnetic and property study,

Jinn P. Chu, C. T. Lo, Y. K. Fang, Bao-Shan Han,

Appl. Phys. Lett. 88 (2006) 012510.

[7] Effect of magnetic field annealing on magnetic properties of Co-rich nanowires

R. Sha hid , X. F. Han, Z. X. Qun , S. Shahzadi, L. X. Jiang , and Y. K. Kim

IEEE Trans. Magn. 42(10) (2006)2778-2780

[8] Microcantilever Torque Magnetometry Study of Patterned Magnetic Film

L. Yuan, L. Gao, R. Sabirianov, S.H. Liou, M.D. Chabot, D.H. Min, J. Moreland , B . S . Han

IEEE Trans. Magn . 42 (2006) 3234.

[9] Barrier shapes and microstructures of double barrier magnetic tunnel junctions by transmission electron microscopy and electron holography

Y. Wang, Z. M. Zeng, S. Rehana, X. F. Han*, X. C. Sun, and Z. Zhang

J. Appl. Phys. 100 (2006) 054510.

[10] Controlled Fabrication of Nickel Perpendicular Nanocontacts using FIB Milling

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

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

[11] Mechanisms of Ag as a surfactant in GMR multilayer growth and thermal stability

Y. K. An, H. D. Zhang, B. Dai, Z. H. Mai, J. W. Cai, and Z. H. Wu,

J. Appl. Phys. 100 (2006) 023516.

[12] Large enhancement of exchange bias in CoFe/CrPt films through interfacial Mn addition

B. Dai, J. W. Cai, W. Y. Lai, Y. Z. Liu, Z. Zhang, F. B. Meng, and Y. X. Li

J. Appl. Phys. 99 (2006) 073902.

[13] Effect of CrW underlayer on structural and magnetic properties of FePt thin films,

J. W. Cao, J. Cai, Y. Liu, Z. Yang, F. L. Wei, A. L. Xia, B. S. Han, J. M. Bai

J. Appl. Phys. 99 (2006) 08F 901.

[14] 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.

[15] Magnetic and magnetization properties of CoFeB nano-wires.

R. Sharif, X. Q. Zhang, S. Shamaila, L. X. Jiang, and X. F. Han

J. Magn. Magn. Matter. 10 (2006) 823.

[16] High frequency impedance inverse in MTJ junction

L.C. Hsieh, Y.W. Huang, X.F. Han, Z. M. Zeng, W.C. Chien, T.Y. Peng, C.K. Lo Y.D.Yao

J. Magn. and Magn. Mater. 10 (2006) 1097 .

[17] Microfabrication and magnetoelectric properties of amorphous magnetic-tunnel-junctions with Co-Fe-B/Al-O/Co-Fe-B hardcore structure

X. F. Han * , F. F. Li, Z. M. Zeng, L. X. Jiang, X. Q. Zhang , Rehana Sharif and Y. D. Yao

J. Magn. Magn. Matter. 304 (2006) 83-87.

[ 18 ] 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 *

J. Magn. Magn. Matter. 303 (2006) c208-c211.

[19] 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 *

J. Magn. Magn. Matter. 303 (2006) c219-c222.

[20] Magnetic and Crystalline Microstructures of Fe-B/FePt-type Nanocomposite Ribbons with High Permanent Properties,

Ai-Lin Xia, H. L. Ge, C. W. Chang, W. C. Chang, B. S. Han,

J. Magn. Magn. Mater. 305 (2006) 336-341

[21] Bias voltage and temperature dependence of magneto-electric properties in double-barrier magnetic tunnel junction with amorphous Co-Fe-B electrodes

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

The European Physical Journal B 52 (2006) 205,

[22] Influence of surfactant Ag on the structure of annealing Ni 70 Co 30 /Cu multilayers by X-ray reflection anomalous fine structure and X-ray absorption spectroscopy

Y. K. An, H. D. Zhang, Z. H. Mai, B. Dai, J. W. Cai, Z. H. Wu, H. T. Zhou, and T. Liu,

Physica B 3 82, 193 (2006)

[23] Anisotropic current-induced electroresistance effect in low-doped La 0.9 Sr 0.1 MnO 3 thin films

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

Physica B 387 (2007) 156-158.

[24] The interfacial structure and degradation mechanism of the GMR effect in Co 90 Fe 10 /Cu and Ni 70 Co 30 /Cu magnetic multilayers

Y. K. An, B. Dai, H. D. Zhang, Z. H. Mai, J. W. Cai , and Z.H. Wu,

J. Phys. D: Appl. Phys. 39 (2006) 1711.

[25] Enhancement of exchange bias in Ir-Mn/Co 0.9 Fe 0.1 bilayers by inserting an ultra-thin Co 0.6 Fe 0.4 layer

Jing Ni, J. W. Cai, W. Y. Lai, Y. K. An, and Z. H. Mai,

J. Phys. D: Appl. Phys. 39 (2006) 730.

[26] Structures of Co 90 Fe 10 /Cu multilayers determined by X-ray anomalous scattering measurements

Y. K. An, B. Dai, Z. H. Mai, J. W. Cai, and Z. H. Wu

Thin Solid Films 496 (2006) 571.

[27] A novel method of nanocontact fabrication for Andreev reflection measurement

T.X. Wang, H.X. Wei, C. Ren, X.F. Han , E.Clifford, R. M. Langford, M.A. Bari, J.M.D. Coey, Chinese J. of Semiconductors 27(4) (2006) 619.

[28] Spin transport in multi wall Carbon Nanotube with Co electrodes

T. X. Wang, H. X. Wei, X. F. Han *, X.G. Zhang, M.A. Bari, and J.M.D. Coey

Chinese Physics Letter 23 (10) (2006) 2852-2855.

[29] Effect of Sm volatilization under high temperature on the magnetic microstructures of sintered Sm(Co,Fe,Cu,Zr) z magnets,

A. L. Xia, Y. K. Fang, Z. H. Guo, W. Li, B. S. Han,

Chin. Phys. Lett. 23 (2005)1289-1292.

[30] Magnetic Microstructures of 2:17 Type Sm(Co,Fe.Cu,Zr)z Magnets Detected by Magnetic Force Microscopy,

A. L. Xia, Z. H. Guo, W. Li, B. S. Han,

J. Rare Earth 24 (2006) 214-217

[31] Doping-induced formation of Bulk nanocrystalline alloy from metallic glass with controllable microstructure and properties,

Y.T. Wang, Z.Y. Pang, R.J. Wang, D.Q. Zhao, M.X. Pan, B.S. Han, W.L. Wang, W.H. Wang

J. Non-crystalline Solids 352 (2006) 444-449

[32] Scratching-induced large-area and tunable perpendicular anisotropy in flexible metallic glass under ambient conditions

Y.T. Wang, Y.K. Fang, M.X. Pan, D.Q. Zhao, B.S. Han, W.H. Wang,

J. Non-crystalline Solids 352 (2006)2925-2928

[33] MRAM 中垂直电流驱动的磁性隧道结自由层的磁化翻转

彭子龙，韩秀峰，赵素芬，魏红祥，杜关祥，詹文山

《物理学报》 55 (2) (2006) 860—864.

[34] 缓冲层 Ta 对 FePt 薄膜 L1 0 有序相转变及矫顽力的影响

张丽娇，蔡建旺，孟凡斌，李养贤

物理学报 55 , 0450 (2006).

国际会议特邀报告 ：

[1] Micron-scale spin-flip length observed in nanoscale layer of magnetic tunnel junctions,

X.F.Han, The 5th Cross-Strait Workshop on Nanoscience and Nanotechnology, Hong Kong University of Science and Technology, 2006.12.9-11

[2] Micro-fabrication of completely spin-valve-type magnetic tunnel junctions is possible?

X.F.Han, The 5th Joint Meeting of the Chinese Physicists Worldwide (OCPA5) and International Conference on Physics Education and Frontier Physics Taipei , 2006.6.27-30

[3] Magnetoelectric properties of double barrier magnetic tunnel junctions with variable Co-Fe-B middle free layer,

X.F.Han, Pakistan Institute of Physics (PIP) Inter. Conference 2006, Lahore, 2006.3.13-17

国际会议论文 ：

[1] Micron-scale spin-flip length observed in nanoscale layer of magnetic tunnel junctions,

X. F. Han, Z. M. Zeng, J. F. Feng,and X.-G. Zhang,

Proceedings of the 5th Cross-Strait Workshop on Nanoscience and Nanotechnology, Hong Kong University of Science and Technology, 2006.12.9-11, p.000..

[2] Micro-fabrication of completely spin-valve-type magnetic tunnel junctions is possible?

D. B. Yu, J. F. Feng, Y. Wang, X. F. Han, Y. S. Du, H. Yan, Z. Zhang, G. C. Zhang,

The 5th Joint Meeting of the Chinese Physicists Worldwide (OCPA5) and International Conference on Physics Education and Frontier Physics , Taipei, 2006.6.27-30, p.000.

[3] Magnetoelectric properties of double barrier magnetic tunnel junctions with variable Co-Fe-B middle free layer,

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

Pakistan Institute of Physics (PIP) Inter. Conference 2006 , Lahore, 2006.3.13-17, p.000.

[4] Magnetic and Magnetization Properties of CoFeB Nanowires,

R. Sharif , X.Q. Zhang, S. Shamaila, L.X. Jiang, and X.F. Han,

The 17th International Conference on Magnetism (ICM), Japan Kyoto, 2006.8.20-25, p.000.

[5] Temperature dependence of oscillatory magnetoresistance in La 0.7 Sr 0.3 MnO 3 /SrTiO 3 / La 0.7 Sr 0.3 MnO 3 ,

J. F. Feng, D. B. Yu, X. F. Han, W. S. Zhan, Y. S. Du, H. Yan, and G. C. Zhang,

The 17th International Conference on Magnetism (ICM), Japan Kyoto, 2006.8.20-25, p.000.

[6] Effect of magnetic field annealing on magnetic properties of Co-rich nanowires,

R. Sha hid , X. F. Han, Z. X. Qun , S. Shahzadi , L. X. Jian , and Y. K. Kim .

2006 IEEE Inter. Magn. Confer. , San Diego , USA , May 8-12, 2006 .

[7] Oscillating voltage dependence of magneto impedance in Magneto Tunneling Junctions ,

W. C. Chien, L. C. Hsieh, T. Y. Peng, C. K. Lo, Y. D. Yao, X. F. Han, and P. Lin.

2006 IEEE Inter. Magn. Confer., San Diego , USA , May 8-12, 2006.

国内会议特邀报告 ：

[1] A new method to probe spin-flip scattering and spin-flip length in ballistic nanosystems ( Invited ), X. F. Han, Z. M. Zeng, J. F. Feng, Y. Wang, X.-G. Zhang, and Z. Zhang. CCAT's Workshorp on Oxide-Spintronics, Nov.17-19, 2006, Institute of Theoretical Physics , Beijing .

[2] Probing spin flip scattering and quantum well resonance tunneling in double barrier magnetic tunnel junctions ( Invited ), X. F. Han. Semiconductor Spintronics Workshop , Oct.12, 2006, Institute of Semiconductors, CAS, Beijing .

[3] First-principles theory of quantum well resonance In double barrier magnetic tunnel junctions (Invited), Yan Wang, Xiu-Feng Han, Zhong-Yi Lu and Xiao-Guang Zhang. The 5 th International Conference on Condensed Matter Theory and Computational Materials Science, July 10-15, 2006, Lanzhou , China .

[4] TMR and GMR nano-film materials and their applications on magneto-sensitive sensors (Invited), X. F. Han, 2006 Beijing International workshorp on Materials and Annual conference of Chinese Materials of Society, June 28-30, 2006, Beijing.

[5] Magnetic tunnel junctions: accessible manipulation in quantum systems and device applications ( Invited ) , X. F. Han and Z. M. Zeng. International Center for Quantum Structures 2006 Workshop on Novel Quantum Phenomena in Condensed Matter Physics. June.5-8, 2006, Institute of Physics , CAS, Beijing .

[6] Micro-fabrication of TMR and GMR multi-layers and their magneto-sensitive device applications ( Invited ) . X. F. Han. The 5 th Chinese conference of magnetic thin film and nano-magnetism, May 13-15, 2006, Suzhou , China .

2006 年课题组来访人员合作与交流

2006 年课题组外出人员合作与交流

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： 双势垒磁性隧道结的微制备及其自旋晶体管的应用基础研究

Spin transport and dynamics in magnetic nano-structures

国外合作单位： 张曙丰 教授， 美国密苏里-哥伦比亚大学

项目来源： 国家基金委 海外杰出青年基金 B 类 ( 合作项目 )

项目起止时间： 2006 年 1 月 -2008 年 12 月

•  课题名称： 超高密度磁记录单元阵列的制备及其磁化翻转过程的研究

Research on the dynamic domain structures of patterned magnetic thin films and design of their devices

国外合作单位 ： Del Atkinson and David Eastwood 教授，英国 达拉谟大学

项目来源： 国家基金委 中英国际合作项目

项目起止时间： 2007 年 1 月 -2008 年 12 月

人才培养

2006 年研究生毕业论文