2007 年度研究工作进展

(1) 同类 磁性隧道结材料的制备技术及性能指标处于国际先进水平 。

经过纳米加工制备工艺的不断优化和探索，我们能够稳定和大量制备外环直径在 80 至 800 nm 、环宽在 25 至 30 nm 的小尺寸环型氧化铝势垒磁性隧道结及其阵列；并在室温下利用小于正负 1 mA 的极化电流直接驱动，可以获得 TMR 在 20% ~ 50% 的矩型磁电阻 TMR -- I 或 R -- I 工作曲线，为磁性隧道结的新应用奠定了重要的新材料基础。该项研究发表后 Z.C. Wen, H. X. Wei and X. F. Han, Appl. Phys. Lett. 91 (2007) 122511], 立刻被作为前沿研究焦点领域的论文、被全文收录在 2007 年 10 月 1 日 由美国物理研究所和美国物理学会负责出版的 Virtual Journal of Nano- scale Science & Technology 杂志上。该项研究结果表明：我们在国际上首先设计和制备出了环壁最窄的、尺寸最小的纳米环状磁性隧道结。物理所在磁性隧道结的纳米制备技术探索和纳米环磁电阻效应研究方面，已位于国际先进水平。

(2) MgO(001) 准单晶 势垒磁性隧道结的制备及负隧穿磁电阻效应研究

我们与爱尔兰圣三一学院 J. M .D. Coey 教授课题组，利用磁控溅射方法合作研制了基于准单晶氧化镁势垒 Mg(001) 和非晶 CoFeB 磁电极的磁性隧道结材料 Si/SiO 2 -Sub/Ta(5nm)/Ru(50)/Ta(5)/Ni 81 Fe 19 (5)/ Ir 22 Mn 78 (10)/Co 90 Fe 10 (2)/Ru(0.85)/CoFeB( t )/MgO(001)(2.5)/CoFeB(3)/Ta(5)/Ru(5), 并研究了 其磁电阻性质。特别研究考察了该隧道结结构中 CoFe/Ru/CoFeB 人工反铁磁钉扎结构随着 CoFeB 厚度变化而导致的磁性隧道结性能的变化。研究发现当 CoFeB 的厚度小于 1.5 个纳米时会出现反常的磁电阻变化，这种变化趋势与正常的磁电阻变化刚好相反，称之为 “ 负磁电阻效应 ” 。同时研究还发现随着 CoFeB 厚度的变化， I-V 和 TMR-V 曲线具有不同的对称性；随着 CoFeB 厚度的增加， CoFeB 能有效的阻挡 Mn 元素的扩散。这些结果对于磁性隧道结的深入研究以及实际应用具有很好的参考价值 [ J. F. Feng, G. Feng, J. M. D. Coey, X. F. Han, and W. S. Zhan, High negative tunneling magneto- resistance in MgO-based magnetic tunnel junctions , Appl. Phys. Lett. 91 (2007) 102505] 。

(3) 磁性金属多层膜超高灵敏度反常霍尔效应

半导体霍尔器件已经广泛用于传感器中，但是半导体的高电阻率、低工作频率在（ MHz ）、高的温度系数以及复杂的制备工艺都阻碍其进一步发展。金属器件能很好的克服这些问题，不过金属的载流子浓度很高，其正常霍尔效应非常微弱。磁性金属的反常霍尔效应（ EHE ）较正常金属的数值大 3 个数量级以上，但其磁场灵敏度仍大大低于半导体霍尔器件的对应值。 我们一方面利用了 Pt 基磁性多层膜界面附近非常有效的自旋－轨道散射，获得较高的霍 尔 电阻率；另一方面利用了纳米多层膜的可调的表面或界面各向异性，通过调节各层膜厚和周期数来调节界面各向异性和形状各向异性，从而改变饱和场的大小，最终大大增加了霍 尔 斜率以及灵敏度。具体地，多层膜由厚度小于 0.5 纳米的磁性金属层和厚度为 1 纳米左右的 Pt 层交替周期生长而成。对于 [CoFe (2.8?)/Pt (12?)] 3 ，在室温下，霍 尔 斜率达到 545μΩ cm/T ，灵敏度可以达到 1200V/A T ，这一结果使反常霍 尔 效应传感器的磁场灵敏度首次超过半导体霍尔器件的灵敏度。进一步，采用 CoFe/Pt 和 Fe/Pt 多层膜的组合结构，通过调节膜厚和周期数，我们还可以得到适用于不同磁场范围（从 50Oe 到 1500Oe ）的霍尔器件 [ Y. Zhu and J.W. Cai, Appl. Phys. Lett. 90 (2007) 012104 ] 。

(4) 电子显微学研究磁性隧道结中 Mn 扩散方式的温度依赖性

我们和合作者研究发现了在高温和低温退火时采用非晶 CoFeB 和多晶 CoFe 织构的作为铁磁电极的磁性隧道结中，存在两种不同 Mn 原子扩散机制。在低于 300 度退火时， Mn 原子的扩散主要是通过体扩散以及由氧原子的辅助扩散来进行，这不同于传统的 Mn 扩散沿着晶粒边界的观点。非晶的 Co-Fe-B 与 <110> 织构的 Co-Fe 可以有效的阻止 Mn 原子的扩散。在高于 300 度退火时， Mn 原子的扩散是通过非晶 Co-Fe-B 铁磁电极中的空位以及多晶 Co-Fe 铁磁电极的晶粒边界来进行的。基于扩散动力学关系，提出了一个提高磁性隧道结性能的普遍退火温度。这些研究结果给出了一个在磁性隧道结多层膜沉积过程以及退火过程中有效阻止反铁磁钉扎层中 Mn 扩散的途径，同时也对普遍的纳米体系中的扩散过程给出了一个重要的深刻理解。这些理解能对未来自旋电子学器件以及其它纳米技术器件的设计提供重要的指导意义 [Y. Wang, X. F. Han, and Z. Zhang et al., Phys. Rev. B 75 (2007) 214424] 。

2007 年会议论文目录

国际会议邀请报告：

[1] Microfabrication of MRAM demo devices based on nano-ring-type magnetic tunnel junctions and spin-polarized current driving,

X. F. Han , The 52nd Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM 2007) ,

Nov.5-9 , 2007 , Florida, USA.

Invited Paper , X. F. Han, Z. C. Wen and H. X. Wei, J. Appl. Phys. 103 (2008) 07E933.

[2]MRAM demo devices based on spin-polarized current driving and nano-ring-shaped MTJs ,

X. F. Han, The 3rd Taiwan International Conference on Spintronics & The 4th Asia Forum on Magnetics ,

Jul.29-Aug.3, 2007, YunLin , Taiwan

[3]A novel method to probe spin-flip scattering and spin-flip length in nanoscale layers of magnetic tunnel junctions ,

X. F. Han,, The International Conference on Nanoelectronics, Nanostructures, and Carrier Interaction 2007 ,

Feb.20-23 , 2007 , Kanagawa, Japan

国际会议论文：

[1] Magnetoresistance sensor with patterned perpendicular anisotropy ferromagnet layer , H. X. Wei, Y. N. Han, and X. F. Han, The 10th Joint MMM/Intermag Conference, Baltimore, Maryland, USA, January 7-11, 2007.

[2] Fabrication of magnetic random access memory based on nanoring- type magnetic tunnel junctions and spin-polarized current driving, X. F. Han, H. X. Wei, Z. L. Peng, H. D. Yang, J. F. Feng, G. X. Du, Z. B. Sun, L. X. Jiang, Q. H. Qin, M. Ma, Y. Wang, Z. C. Wen, D. P. Liu, and W. S. Zhan, "2007 March Meeting of the American Physical Society” at Denver , Colorado , USA , March 4 -11, 2007.

[3] Spin-dependent Quantum Well States in Magnetic Tunnel Junctions , Yan Wang, X.F. Han, Z.Y. Lu, X.G. Zhang, "2007 March Meeting of the American Physical Society” at Denver , Colorado , USA , March 4 -11, 2007.

[4] Tunneling magneto-resistance in CoFeB/GaAs/(Ga,Mn)As hybrid magnetic tunnel junctions , G. X. Du, X. F. Han, J. J. Deng, W. Z. Wang, J . H. Zhao, The 52 nd Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM 2007) November 5-9, 2007, Tampa, Florida, USA. J. Appl. Phys. 103 (2008) 07D105 .

[5] Linear magnetic field response spin valve with perpendicular anisotropy ferromagnet layer, Q. H. Qin, H. X. Wei, and X. F. Han, The 52 nd Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (M MM 2007) November 5-9, 2007, Tampa, Florida, USA. J. Appl. Phys. 103 (2008) 07E906 .

[6] Thickness Dependence of Oscillatory Interlayer coupling and  Extraordinary Hall Effect in [Pt/Co]5/Ru(Cu)/[Co/Pt]5 Multilayers , J. Zhao, Y. J. Wang and X. F. Han, IEEE MML'07, 15-19 October 2007, poster presentation Wed-P16( 2007/10/17 ), Perth, Australia.

国内会议邀请报告：

[1] Patterned nano-ring magnetic tunnel junctions and nano-ring MRAM demo devices , X. F. Han, The 1st Chinese-French Workshop on Quantum Manipulation of Spins in Semiconductors , Oct.15-19 , 2007, Beijing, China

[2] Design and fabrication of nano-ring MRAM demo devices based on spin-polarized current driving , X. F. Han, China National Conference on Functional Materials and Applications , Nov.15-19, 2007, Wuhan , China

[3] Nanoring magnetic tunnel junctions and nanoring MRAM demo devices , X. F. Han, The 11th Chinese Conference of Low Temperature Physics , Aug.10-14 , 2007 , Haerbin , China

2007 年发表学术论文目录

[1] Patterned nanoring magnetic tunnel junctions , Z.C. Wen, H.X.Wei, and X.F. Han, Applied Physics Letter 91 (2007) 122511.

[2] High inverted tunneling magnetoresistance in MgO-based MTJs , J.F. Feng, Gen Feng, J.M. Coey, X.F. Han, and W.S. Zhan, Applied Physics Letter 91 (2007) 102505.

[3] Ultrahigh sensitivity Hall effect in magnetic multilayers , Yun Zhu and J.W. Cai, Applied Physics Letter 90 (2007) 012104.

[4] Surface-Plasmon-Polariton Assisted Diffraction in Periodic Subwavelength Holes of Metal Films with Reduced Interplane Coupling , X. Fang, Z. Li, Y. Long, H. X. Wei, R. Liu, J. Ma, M. Kamran, H. Zhao, X. F. Han, B. Zhao, and X. G. Qiu, Physical Review Letters 99 (2007) 066805.

[5] Nanoscale Periodic Morphologies on the Fracture Surface of Brittle Metallic Glasses , G. Wang, D.Q. Zhao, H.Y. Bai, M.X. Pan, A.L. Xia, B.S. Han, X.K. Xi, Y. Wu, and W.H. Wang, Physical Review Letters , 98 (2007)235501.

[6] Temperature-dependent Mn-diffusion modes in CoFeB- and CoFe-based magnetic tunnel junctions: Electron-microscopy studies , Y. Wang, Z.M Zeng, X.F. Han, X.G. Zhang, X.C. Sun, and Z. Zhang, Physical Review B 75 (2007) 24424.

[7] Experimental evidence of magnetization modification by superconductivity in a Nb/Ni81Fe19 multilayer , Hong-ye Wu, Jing Ni, Jian-Wang Cai, Zhao-hua Cheng, and Young Sun, Physical Review B , 76 , (2007), 024416

[8] 80% TMR at RT for thin Al–O barrier MTJs with CoFeB as free and reference layers , H.X. Wei, Q.H. Qin, M. Ma, R. Sharif, and X.F. Han, Journal of Applied Physics 101 (2007) 09B501.

[9] Ordering promotion and intergrain decoupling in FePt thin films by Ta and Ta/Bi buffer layers , L.J. Zhang ， J.W. Cai, and H.Y. Pan, Journal of Applied Physics 102 (2007) 013905.

[10] Magnetic and magnetization properties of CoFeB nanowires , R. Sharif, X.Q. Zhang, S. Shamaila, S. Riaz, L.X. Jiang, and H.F. Han, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 310 (2007) e830.

[11] 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. Magn. Mate. 310 (2007)1903.

[12] Oscillating Voltage Dependence of High-Frequency Impedance in MTJs , W.C. Chien, L.C. Hsieh, T.Y. Peng, C.K. Lo, Y.D. Yao, X.F. Han, and P. Lin, IEEE Transaction on Magnetics 43 (2007) 2812.

[13] Surface and Interior Magnetic Domain Structures of 110 Oriented Tb–Dy–Fe Alloy Rods , Y. Fang, D. Zheng, W. Li, B.S. Han, K. Li, and D. B. Yu, IEEE Transaction on Magnetics 43 ,(2007) 1871.

[14] A novel design and fabrication of magnetic random access memory based on nano-ring-type magnetic tunnel junctions ， X.F. Han, H.X. Wei, Z.L. Peng, H.D. Yang, J.F. Feng, G.X. Du, Z.B. Sun, L.X. Jiang, Q.H. Qin, M Ma, Y. Wang, Z.C. Wen, D.P. Liu, and W.S. Zhan, Journal of Materials Sciences and Technology , 23 , (2007), 304

[15] An approach to fabricate pure metallic Ni-Ni and metallic oxide Ni-NiO-Ni nanocontacts by repeatable microfabrication method , H.X. Wei, T.X. Wang, H.Wang, and X.F.Han, International Journal of Nanotechnology , 4 , (2007), 21

[16] Simple models for electron and spin transport in barrier–conductor–barrier devices ， X.G. Zhang, Y. Wang, and X.F. Han, Solid-State Electronics , 51 , (2007), 1344

[17] Magnetotransport of holes through an AlAs/GaAs/AlAs resonant tunnelling quantum well with a ferromagnetic Ga1–xMnxAs emitter , H. Holmberg, N. Lebedeva, S. Novikov, M. Mattila, P. Kuivalainen, G.X. Du, X. F. Han, M. Malfait, and V.V. Moshchalkov, Physics State Solid (a) , 204 , (2007), 3463

[18] Multilayered Si/Ni nanosprings and their magnetic properties , Y. He, J. Fu, Y. Zhang, Y. Zhao, L. Zhang, A. Xia, and J. W. Cai, Small , 3 , (2007), 153

[19] Magnetic force microscopy study of Alternate sputtered (001) oriented L10 phase FePt films , A.L. Xia, J.W. Cao, L.N. Tong, F. L. Wei, Z. Yang, B. S. Han, Chinese Physics Letters 24 (2007) 222.

[20] 室温生长 MgO 底层诱导（ 001 ）取向 FePt 薄膜的有序化过程对 FePt 成分的依赖 , 张丽娇 , 蔡建旺 , 物理学报 56 (2007) 7266.

国际合作与人员互访交流情况

1. 国际合作课题

(1) 课题名称 ：《 具有高磁场灵敏度的磁性隧道结及其线性输出磁敏传感器的研究 》

合作单位 ： 爱尔兰圣三一学院物理系

中方和外方项目负责人 ：韩秀峰研究员和 J. M. D. Coey 教授

　　项目来源 ：中国科技部和爱尔兰科学基金会

(2) 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 》

合作单位 ： 英国达拉漠大学

中方和外方项目负责人 ：韩秀峰研究员和 Del Atkinson 副教授

　　项目来源 ：中国国家自然科学基金委和英国皇家基金会

国际合作与互访交流

2007 年由 M02 组负责主要接待工作的来访讲学和合作交流人员：

2007 年 M02 组派出合作交流人员 :

人才培养

2007 年研究生毕业论文