CoFeB-MgO-CoFeB磁性隧道結(jié)：制備工藝、特性及應(yīng)用的深度剖析

CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)：制備工藝、特性及應(yīng)用的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理能力的要求日益提高，自旋電子學(xué)應(yīng)運(yùn)而生并成為研究熱點(diǎn)。自旋電子學(xué)，也稱(chēng)磁電子學(xué)，是一門(mén)新興的交叉學(xué)科，它利用電子的自旋和磁矩，使固體器件中除電荷輸運(yùn)外，還加入電子的自旋和磁矩。這一領(lǐng)域的誕生，為突破傳統(tǒng)電子學(xué)的瓶頸提供了新的方向，有望實(shí)現(xiàn)更高速、更低功耗、更高密度的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理。磁性隧道結(jié)（MagneticTunnelJunction，MTJ）作為自旋電子學(xué)的核心器件，具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能。它由兩個(gè)磁性電極之間夾著一層絕緣層構(gòu)成，當(dāng)兩個(gè)磁性電極的磁矩方向相互平行時(shí)，電流可以通過(guò)磁性電極和絕緣層之間的隧道，形成低阻狀態(tài)；而當(dāng)磁矩方向相互垂直時(shí)，電流則通過(guò)隧道的阻隔層，形成高阻狀態(tài)。通過(guò)調(diào)控兩個(gè)磁性電極的磁矩方向，可以實(shí)現(xiàn)電阻的改變，這種特性使得磁性隧道結(jié)在磁隨機(jī)存儲(chǔ)器（MagnetoresistiveRandomAccessMemory，MRAM）、自旋邏輯器件等方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。在眾多磁性隧道結(jié)體系中，CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)憑借其優(yōu)異的性能脫穎而出。MgO具有較高的絕緣性、較低的表面態(tài)密度和優(yōu)良的熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，作為絕緣層能夠有效提升磁性隧道結(jié)的性能。在存儲(chǔ)領(lǐng)域，基于CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)的MRAM被視為下一代非易失性存儲(chǔ)器的有力候選者。傳統(tǒng)的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RandomAccessMemory，RAM）在斷電后數(shù)據(jù)會(huì)丟失，而MRAM利用磁性隧道結(jié)的高、低電阻態(tài)來(lái)存儲(chǔ)信息，具有非易失性，能夠在斷電時(shí)保留數(shù)據(jù)，大大提高了數(shù)據(jù)的安全性和可靠性。此外，MRAM還具有高速讀寫(xiě)、低功耗、長(zhǎng)壽命等優(yōu)勢(shì)，有望解決傳統(tǒng)存儲(chǔ)器在性能和功耗方面的瓶頸問(wèn)題，滿足未來(lái)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和快速讀取的需求。在先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)、高密度存儲(chǔ)需求中，垂直磁化的STT-MRAM基于磁性層界面的各項(xiàng)異性，通過(guò)調(diào)整界面即可將各項(xiàng)異性場(chǎng)（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(lái)的存儲(chǔ)市場(chǎng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。在傳感器領(lǐng)域，CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)同樣具有重要應(yīng)用價(jià)值。它可以將磁場(chǎng)的變化轉(zhuǎn)化為電阻的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的高精度檢測(cè)，被廣泛應(yīng)用于磁傳感器中。與傳統(tǒng)的傳感器相比，基于磁性隧道結(jié)的傳感器具有更高的靈敏度和分辨率，能夠檢測(cè)到微弱的磁場(chǎng)信號(hào)，在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、地質(zhì)勘探、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。例如，在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)中，可用于檢測(cè)生物分子的磁性標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)對(duì)疾病的早期診斷；在地質(zhì)勘探中，能夠探測(cè)地下的磁性礦物資源，為資源開(kāi)發(fā)提供重要依據(jù)。盡管CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，但目前仍面臨一些挑戰(zhàn)和問(wèn)題。例如，在制備過(guò)程中，如何精確控制薄膜的厚度、界面的質(zhì)量以及磁矩的耦合，以提高磁性隧道結(jié)的性能和穩(wěn)定性，仍然是亟待解決的技術(shù)難題。此外，對(duì)磁性隧道結(jié)的物理機(jī)制和性能優(yōu)化的研究還需要進(jìn)一步深入，以充分挖掘其潛力，實(shí)現(xiàn)更高效的應(yīng)用。因此，深入研究CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)的制備工藝與特性，對(duì)于推動(dòng)自旋電子學(xué)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)高性能的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳感器應(yīng)用具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在自旋電子學(xué)蓬勃發(fā)展的大背景下，CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)作為極具潛力的核心器件，吸引了國(guó)內(nèi)外眾多科研團(tuán)隊(duì)和企業(yè)的廣泛關(guān)注，在制備工藝、特性研究及應(yīng)用探索等方面均取得了顯著進(jìn)展。在制備工藝上，薄膜沉積技術(shù)是構(gòu)建CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)的關(guān)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(zhǎng)速率與成分、能在復(fù)雜襯底上沉積均勻薄膜等優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)前主流的制備方法。國(guó)外如美國(guó)、日本的科研機(jī)構(gòu)，在磁控濺射設(shè)備的研發(fā)與工藝優(yōu)化上投入大量資源，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量CoFeB和MgO薄膜的原子級(jí)精準(zhǔn)沉積，極大地提升了磁性隧道結(jié)的性能。國(guó)內(nèi)的清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院等高校與科研院所也在積極跟進(jìn)，通過(guò)自主研發(fā)與設(shè)備引進(jìn)相結(jié)合，在薄膜沉積工藝上取得長(zhǎng)足進(jìn)步，制備出的磁性隧道結(jié)在關(guān)鍵性能指標(biāo)上已逐漸接近國(guó)際先進(jìn)水平。化學(xué)氣相沉積（CVD）法也在不斷發(fā)展，其獨(dú)特的生長(zhǎng)機(jī)制有助于制備出高質(zhì)量的MgO絕緣層，且在大面積制備方面具有潛在優(yōu)勢(shì)，為實(shí)現(xiàn)CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)的工業(yè)化生產(chǎn)提供了新思路。在特性研究方面，磁電阻效應(yīng)是CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)的核心特性之一。國(guó)內(nèi)外學(xué)者深入研究了影響磁電阻的關(guān)鍵因素，如絕緣層MgO的厚度與晶體結(jié)構(gòu)、CoFeB磁性層的成分與微觀結(jié)構(gòu)以及磁性層與絕緣層之間的界面質(zhì)量等。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)MgO絕緣層的厚度處于特定納米尺度范圍時(shí)，能實(shí)現(xiàn)最佳的隧道磁電阻效應(yīng)。同時(shí)，通過(guò)優(yōu)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(yùn)特性也是研究熱點(diǎn)，科學(xué)家們利用各種先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，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(jié)中的輸運(yùn)機(jī)制，為進(jìn)一步優(yōu)化器件性能提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在應(yīng)用領(lǐng)域，基于CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)的磁隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM）成為研究與開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。國(guó)外的三星、英特爾等半導(dǎo)體巨頭在MRAM的商業(yè)化進(jìn)程中處于領(lǐng)先地位，已成功推出多款基于STT-MRAM技術(shù)的產(chǎn)品，并不斷提升存儲(chǔ)密度和讀寫(xiě)速度。國(guó)內(nèi)企業(yè)如長(zhǎng)江存儲(chǔ)、合肥長(zhǎng)鑫等也在積極布局MRAM研發(fā)，與高校、科研機(jī)構(gòu)緊密合作，努力縮小與國(guó)際先進(jìn)水平的差距。在傳感器領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外研究人員致力于開(kāi)發(fā)基于該磁性隧道結(jié)的高靈敏度磁傳感器，應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、地質(zhì)勘探、工業(yè)自動(dòng)化等多個(gè)領(lǐng)域，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。盡管目前在CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)的研究上取得了諸多成果，但仍存在一些亟待解決的問(wèn)題。在制備工藝方面，如何進(jìn)一步降低制備成本、提高生產(chǎn)效率，以滿足大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的需求，是面臨的一大挑戰(zhàn)。同時(shí)，不同制備工藝之間的兼容性問(wèn)題也有待解決，這關(guān)系到能否實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、一致性的器件制備。在特性研究中，對(duì)于磁性隧道結(jié)在復(fù)雜環(huán)境下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性研究還相對(duì)薄弱，實(shí)際應(yīng)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(duì)器件性能的影響機(jī)制，并提出有效的解決方案。在應(yīng)用拓展方面，雖然MRAM展現(xiàn)出巨大的潛力，但與傳統(tǒng)存儲(chǔ)器相比，其在讀寫(xiě)速度、存儲(chǔ)容量等方面仍有提升空間，需要進(jìn)一步優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和性能，以提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。此外，在新的應(yīng)用領(lǐng)域，如人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等，如何更好地發(fā)揮CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)的優(yōu)勢(shì)，還需要進(jìn)一步的探索和研究。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究聚焦于CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)，旨在深入探究其制備工藝、特性以及潛在應(yīng)用，通過(guò)系統(tǒng)性研究，為自旋電子學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展提供理論支持與技術(shù)參考。在制備工藝研究方面，本研究以磁控濺射技術(shù)為核心，探索制備高質(zhì)量CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)的最佳工藝參數(shù)。在薄膜沉積過(guò)程中，精確控制CoFeB和MgO薄膜的生長(zhǎng)速率、厚度以及沉積溫度等參數(shù)。研究不同生長(zhǎng)速率對(duì)薄膜結(jié)晶質(zhì)量和微觀結(jié)構(gòu)的影響，通過(guò)調(diào)整濺射功率、氣體流量等條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)生長(zhǎng)速率的精確調(diào)控。同時(shí)，深入分析薄膜厚度與磁性隧道結(jié)性能之間的關(guān)系，確定最佳的薄膜厚度范圍，以?xún)?yōu)化隧道磁電阻效應(yīng)和其他關(guān)鍵性能指標(biāo)。例如，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，改變MgO絕緣層的厚度，觀察其對(duì)隧道磁電阻的影響，找到使隧道磁電阻達(dá)到最大值的MgO厚度。此外，研究沉積溫度對(duì)薄膜晶體結(jié)構(gòu)和界面質(zhì)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(guò)這些研究，建立起制備工藝參數(shù)與磁性隧道結(jié)性能之間的關(guān)聯(lián)，為制備高性能的磁性隧道結(jié)提供工藝依據(jù)。在特性研究方面，全面分析CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)的磁電阻特性和自旋極化輸運(yùn)特性。利用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM）、超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）等設(shè)備，精確測(cè)量磁性隧道結(jié)的磁滯回線、矯頑力等磁性參數(shù)，深入研究其磁學(xué)性能與結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系。例如，通過(guò)VSM測(cè)量不同結(jié)構(gòu)的磁性隧道結(jié)的磁滯回線，分析磁滯回線的形狀和參數(shù)，了解磁性層的磁各向異性、磁矩耦合等情況。同時(shí)，采用四探針?lè)ā㈦娏?電壓（I-V）測(cè)量等技術(shù)，系統(tǒng)研究隧道磁電阻效應(yīng)與絕緣層厚度、界面質(zhì)量以及溫度等因素的依賴(lài)關(guān)系。通過(guò)改變絕緣層厚度，測(cè)量不同厚度下的隧道磁電阻，分析其變化規(guī)律；通過(guò)優(yōu)化制備工藝，改善界面質(zhì)量，研究界面質(zhì)量對(duì)隧道磁電阻的提升作用；在不同溫度下測(cè)量隧道磁電阻，探究溫度對(duì)其性能的影響機(jī)制。此外，運(yùn)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(jìn)技術(shù)，深入探究自旋極化電子在磁性隧道結(jié)中的輸運(yùn)機(jī)制，揭示自旋相關(guān)的量子隧穿過(guò)程，為進(jìn)一步優(yōu)化器件性能提供理論基礎(chǔ)。在應(yīng)用研究方面，探索CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)在磁隨機(jī)存儲(chǔ)器和磁傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用。針對(duì)磁隨機(jī)存儲(chǔ)器，研究磁性隧道結(jié)的高速讀寫(xiě)性能和穩(wěn)定性，通過(guò)優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和制備工藝，提高存儲(chǔ)密度和讀寫(xiě)速度，降低功耗。例如，設(shè)計(jì)新型的磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，采用多層膜結(jié)構(gòu)或引入新的材料層，以增強(qiáng)磁矩耦合和提高隧道磁電阻，從而提高存儲(chǔ)密度；研究快速讀寫(xiě)的驅(qū)動(dòng)方式和電路設(shè)計(jì)，優(yōu)化讀寫(xiě)脈沖的波形和參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高速讀寫(xiě)操作；通過(guò)對(duì)磁性隧道結(jié)在不同工作條件下的穩(wěn)定性測(cè)試，分析其失效機(jī)制，提出改進(jìn)措施，提高存儲(chǔ)器的可靠性。對(duì)于磁傳感器應(yīng)用，研究其對(duì)微弱磁場(chǎng)的檢測(cè)能力和靈敏度，開(kāi)發(fā)基于磁性隧道結(jié)的高靈敏度磁傳感器，并探索其在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。例如，通過(guò)優(yōu)化磁性隧道結(jié)的結(jié)構(gòu)和材料，提高其對(duì)微弱磁場(chǎng)的響應(yīng)靈敏度；設(shè)計(jì)合適的信號(hào)處理電路，將隧道磁電阻的變化轉(zhuǎn)化為可檢測(cè)的電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱磁場(chǎng)的精確檢測(cè)；在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)中，將磁傳感器與生物分子標(biāo)記技術(shù)相結(jié)合，檢測(cè)生物分子的磁性標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)對(duì)疾病的早期診斷；在地質(zhì)勘探中，利用磁傳感器探測(cè)地下的磁性礦物資源，為資源開(kāi)發(fā)提供重要依據(jù)。本研究采用多種先進(jìn)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(yùn)用磁控濺射技術(shù)，利用其在薄膜生長(zhǎng)控制方面的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)CoFeB和MgO薄膜精確制備。通過(guò)射頻磁控濺射系統(tǒng)，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(zhì)量的薄膜。在結(jié)構(gòu)表征方面，綜合運(yùn)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(shù)，對(duì)制備的磁性隧道結(jié)的晶體結(jié)構(gòu)、微觀形貌和界面質(zhì)量進(jìn)行詳細(xì)分析。XRD用于確定薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和取向，HRTEM用于觀察薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和界面的原子排列，AFM用于測(cè)量薄膜的表面形貌和粗糙度。在性能測(cè)試方面，利用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM）、超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）測(cè)量磁性參數(shù)，采用四探針?lè)?、電?電壓（I-V）測(cè)量等技術(shù)測(cè)試電學(xué)性能，運(yùn)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(shù)研究自旋極化輸運(yùn)特性。通過(guò)這些方法的綜合運(yùn)用，全面深入地研究CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)的制備工藝、特性及應(yīng)用，為其在自旋電子學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。二、CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)的基本原理2.1磁性隧道結(jié)的結(jié)構(gòu)與組成CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)具有典型的三明治結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)精妙地利用了不同材料的特性，實(shí)現(xiàn)了獨(dú)特的物理性能和應(yīng)用價(jià)值。底層CoFeB磁性層作為自旋極化電子的發(fā)射源，具有關(guān)鍵作用。CoFeB是一種軟磁材料，其飽和磁化強(qiáng)度、磁各向異性和自旋極化率等特性對(duì)磁性隧道結(jié)的性能影響顯著。飽和磁化強(qiáng)度決定了磁性層能夠產(chǎn)生的最大磁矩，較大的飽和磁化強(qiáng)度有助于增強(qiáng)自旋極化電流，提高隧道磁電阻效應(yīng)。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(wěn)定地保持在特定方向，降低外界干擾對(duì)磁矩取向的影響，從而提高磁性隧道結(jié)的穩(wěn)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(shù)，高自旋極化率的CoFeB磁性層能夠發(fā)射更多具有特定自旋方向的電子，為實(shí)現(xiàn)高效的自旋相關(guān)輸運(yùn)奠定基礎(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)精確控制CoFeB磁性層的成分和厚度，可以?xún)?yōu)化其磁性參數(shù)，以滿足不同器件對(duì)性能的要求。例如，在磁隨機(jī)存儲(chǔ)器中，為了實(shí)現(xiàn)快速的讀寫(xiě)操作和高存儲(chǔ)密度，需要調(diào)整CoFeB磁性層的飽和磁化強(qiáng)度和磁各向異性，使磁矩能夠在短時(shí)間內(nèi)快速翻轉(zhuǎn)，同時(shí)保持良好的穩(wěn)定性。中間的MgO絕緣層是磁性隧道結(jié)實(shí)現(xiàn)隧道磁電阻效應(yīng)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(dǎo)，形成一個(gè)勢(shì)壘，使電子只能通過(guò)量子隧穿效應(yīng)穿過(guò)絕緣層。同時(shí)，MgO具有較低的表面態(tài)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(yīng)。此外，MgO的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)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(zhì)量的界面，進(jìn)一步優(yōu)化隧道磁電阻性能。研究表明，當(dāng)MgO絕緣層的厚度在1-2納米范圍內(nèi)時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)較為理想的隧道磁電阻效應(yīng)。如果MgO絕緣層過(guò)薄，電子容易直接穿透，導(dǎo)致隧道磁電阻效應(yīng)減弱；而過(guò)厚則會(huì)使隧穿概率急劇下降，同樣不利于隧道磁電阻效應(yīng)的實(shí)現(xiàn)。在制備過(guò)程中，精確控制MgO絕緣層的厚度和質(zhì)量是提高磁性隧道結(jié)性能的關(guān)鍵之一。通過(guò)優(yōu)化磁控濺射等制備工藝參數(shù)，如濺射功率、氣體流量和沉積溫度等，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)MgO絕緣層厚度和質(zhì)量的精確控制，從而獲得高質(zhì)量的MgO絕緣層，提高磁性隧道結(jié)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(tài)與底層CoFeB磁性層的相對(duì)取向決定了磁性隧道結(jié)的電阻狀態(tài)。當(dāng)頂層和底層CoFeB磁性層的磁矩方向平行時(shí)，自旋極化電子能夠更容易地通過(guò)絕緣層，此時(shí)磁性隧道結(jié)處于低電阻狀態(tài)；而當(dāng)磁矩方向反平行時(shí)，電子的隧穿概率降低，磁性隧道結(jié)呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)。這種電阻狀態(tài)的變化可以通過(guò)外加磁場(chǎng)或自旋轉(zhuǎn)移力矩等方式進(jìn)行調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)和讀取。例如，在磁隨機(jī)存儲(chǔ)器中，利用外加磁場(chǎng)或電流產(chǎn)生的自旋轉(zhuǎn)移力矩，使頂層CoFeB磁性層的磁矩相對(duì)于底層發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從而改變磁性隧道結(jié)的電阻狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫(xiě)入和讀取操作。在實(shí)際的CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)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(huì)引入緩沖層，其作用是改善底層CoFeB磁性層的生長(zhǎng)質(zhì)量，促進(jìn)其晶體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，提高與襯底的結(jié)合力。常見(jiàn)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(zhǎng)提供良好的基礎(chǔ)。在頂層CoFeB磁性層之上，常常會(huì)添加保護(hù)層，以防止磁性隧道結(jié)在后續(xù)工藝或使用過(guò)程中受到氧化、污染等損害，保護(hù)其結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定性。常用的保護(hù)層材料有Ta、Al等，它們具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性，能夠有效地保護(hù)磁性隧道結(jié)。這些輔助層的合理設(shè)計(jì)和制備，對(duì)于提高CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)的性能和可靠性具有重要意義，它們與核心的三明治結(jié)構(gòu)相互配合，共同實(shí)現(xiàn)了磁性隧道結(jié)在自旋電子學(xué)器件中的應(yīng)用。2.2隧穿磁電阻效應(yīng)（TMR）原理隧穿磁電阻效應(yīng)（TunnelMagnetoresistance，TMR）是CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)的核心特性，其物理機(jī)制基于自旋相關(guān)的量子隧穿過(guò)程，這一過(guò)程蘊(yùn)含著深刻的量子力學(xué)原理和獨(dú)特的自旋電子學(xué)特性。在磁性隧道結(jié)中，電子的輸運(yùn)行為與傳統(tǒng)的導(dǎo)體和半導(dǎo)體有著本質(zhì)區(qū)別。當(dāng)電子從一個(gè)磁性層（如底層CoFeB磁性層）向另一個(gè)磁性層（頂層CoFeB磁性層）傳輸時(shí)，由于中間存在MgO絕緣層，電子無(wú)法通過(guò)經(jīng)典的傳導(dǎo)方式跨越絕緣層，而是通過(guò)量子隧穿效應(yīng)實(shí)現(xiàn)穿越。量子隧穿是一種量子力學(xué)現(xiàn)象，當(dāng)微觀粒子的總能量小于勢(shì)壘高度時(shí)，粒子仍有一定概率穿越勢(shì)壘。在磁性隧道結(jié)中，MgO絕緣層就形成了一個(gè)能量勢(shì)壘，電子的隧穿過(guò)程遵循量子力學(xué)的規(guī)律。自旋相關(guān)的隧穿機(jī)制是TMR效應(yīng)產(chǎn)生的關(guān)鍵。在鐵磁材料中，由于量子力學(xué)交換作用，鐵磁金屬的3d軌道局域電子能帶發(fā)生劈裂，使費(fèi)米（Fermi）面附近自旋向上和向下的電子具有不同的能態(tài)密度。這意味著鐵磁金屬中傳導(dǎo)電子流是自旋極化的，即具有不同自旋方向的電子在數(shù)量和能量分布上存在差異。在CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)中，當(dāng)兩個(gè)CoFeB磁性層的磁矩方向平行時(shí)，一個(gè)磁性層中多數(shù)自旋子帶的電子將進(jìn)入另一個(gè)磁性層中多數(shù)自旋子帶的空態(tài)，同時(shí)少數(shù)自旋子帶的電子也進(jìn)入另一個(gè)磁性層中少數(shù)自旋子帶的空態(tài)，此時(shí)電子的隧穿概率較大，總的隧穿電流較大，磁性隧道結(jié)呈現(xiàn)低電阻狀態(tài)。反之，當(dāng)兩個(gè)CoFeB磁性層的磁矩方向反平行時(shí)，一個(gè)磁性層中多數(shù)自旋子帶的電子將進(jìn)入另一個(gè)磁性層中少數(shù)自旋子帶的空態(tài)，而少數(shù)自旋子帶的電子也進(jìn)入另一個(gè)磁性層中多數(shù)自旋子帶的空態(tài)，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(jié)呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)。通過(guò)施加外磁場(chǎng)可以改變兩個(gè)CoFeB磁性層的磁化方向，從而實(shí)現(xiàn)磁性隧道結(jié)電阻狀態(tài)的切換，導(dǎo)致TMR效應(yīng)的出現(xiàn)。影響TMR值的因素眾多，其中絕緣層MgO的特性起著關(guān)鍵作用。MgO絕緣層的厚度對(duì)TMR值有顯著影響。當(dāng)MgO絕緣層過(guò)薄時(shí)，電子容易直接穿透，導(dǎo)致隧道磁電阻效應(yīng)減弱，TMR值降低；而過(guò)厚則會(huì)使隧穿概率急劇下降，同樣不利于隧道磁電阻效應(yīng)的實(shí)現(xiàn)，TMR值也會(huì)降低。研究表明，當(dāng)MgO絕緣層的厚度在1-2納米范圍內(nèi)時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)較為理想的隧道磁電阻效應(yīng)，此時(shí)TMR值相對(duì)較高。MgO的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)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(zhì)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(yán)重，會(huì)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(zhì)也對(duì)TMR值產(chǎn)生重要影響。CoFeB磁性層的飽和磁化強(qiáng)度、磁各向異性和自旋極化率等參數(shù)與TMR值密切相關(guān)。較大的飽和磁化強(qiáng)度有助于增強(qiáng)自旋極化電流，提高TMR值；合適的磁各向異性能夠使磁矩穩(wěn)定地保持在特定方向，降低外界干擾對(duì)磁矩取向的影響，從而提高磁性隧道結(jié)的穩(wěn)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(fā)射更多具有特定自旋方向的電子，為實(shí)現(xiàn)高效的自旋相關(guān)輸運(yùn)奠定基礎(chǔ)，進(jìn)而提高TMR值。通過(guò)精確控制CoFeB磁性層的成分和厚度，可以?xún)?yōu)化其磁性參數(shù)，提高TMR值。此外，磁性隧道結(jié)的制備工藝也會(huì)影響TMR值。制備過(guò)程中的溫度、濺射功率、氣體流量等工藝參數(shù)會(huì)影響薄膜的生長(zhǎng)質(zhì)量、晶體結(jié)構(gòu)和界面質(zhì)量，進(jìn)而影響TMR值。在磁控濺射制備過(guò)程中，合適的濺射功率和氣體流量可以控制薄膜的生長(zhǎng)速率和原子沉積的均勻性，有利于形成高質(zhì)量的薄膜和界面，提高TMR值；而不合適的工藝參數(shù)可能導(dǎo)致薄膜結(jié)晶質(zhì)量差、界面缺陷增多，從而降低TMR值。因此，優(yōu)化制備工藝參數(shù)，精確控制薄膜生長(zhǎng)和界面質(zhì)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(jié)中具有關(guān)鍵作用，對(duì)磁性隧道結(jié)的性能產(chǎn)生著深遠(yuǎn)影響。垂直磁各向異性的產(chǎn)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(dāng)磁性薄膜較厚時(shí)，軌道磁矩幾乎是各向同性的，此時(shí)由于材料的形狀各向異性占主導(dǎo)，材料表現(xiàn)出面內(nèi)磁各向異性。而當(dāng)磁層很薄時(shí)，原子中的軌道各向異性得以體現(xiàn)，界面各向異性有可能超過(guò)形狀各向異性，從而實(shí)現(xiàn)垂直磁各向異性。以CoFeB薄膜為例，當(dāng)CoFeB薄膜的厚度在幾個(gè)納米以下時(shí)，其與MgO絕緣層的界面處，原子的軌道雜化和電子云分布發(fā)生變化，導(dǎo)致垂直方向上的磁各向異性增強(qiáng)，使得磁矩更容易沿垂直于膜面的方向取向。晶體場(chǎng)效應(yīng)也是產(chǎn)生垂直磁各向異性的重要原因之一。在晶體結(jié)構(gòu)中，原子周?chē)碾娮釉品植际艿骄w場(chǎng)的作用，導(dǎo)致電子的軌道發(fā)生分裂，進(jìn)而影響磁矩的取向。在CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)中，CoFeB磁性層的晶體結(jié)構(gòu)與MgO絕緣層的相互作用，使得垂直方向上的晶體場(chǎng)與面內(nèi)方向的晶體場(chǎng)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(tài)，從而表現(xiàn)出垂直磁各向異性。例如，當(dāng)CoFeB磁性層與MgO絕緣層形成良好的界面時(shí)，界面處的原子排列和化學(xué)鍵合方式會(huì)影響晶體場(chǎng)的分布，使得垂直方向的晶體場(chǎng)有利于磁矩的垂直取向。表面和界面的各向異性對(duì)垂直磁各向異性的貢獻(xiàn)也不容忽視。在磁性隧道結(jié)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(huán)境與體相原子不同，導(dǎo)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(huì)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(guò)優(yōu)化制備工藝，改善界面質(zhì)量，減少界面缺陷，可以增強(qiáng)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(guò)程中，精確控制濺射參數(shù)，如濺射功率、氣體流量和沉積溫度等，可以獲得高質(zhì)量的界面，增強(qiáng)垂直磁各向異性。垂直磁各向異性對(duì)CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)的性能具有多方面的影響。在磁隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM）應(yīng)用中，垂直磁各向異性使得磁性隧道結(jié)的磁矩能夠穩(wěn)定地保持在垂直方向，有利于實(shí)現(xiàn)高存儲(chǔ)密度和低功耗。與面內(nèi)磁各向異性的磁性隧道結(jié)相比，垂直磁各向異性的磁性隧道結(jié)在相同面積下可以存儲(chǔ)更多的信息，因?yàn)榇啪氐拇怪比∠蚩梢愿行У乩每臻g。同時(shí)，垂直磁各向異性有助于降低寫(xiě)入電流，提高讀寫(xiě)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(chǎn)生的自旋轉(zhuǎn)移力矩就可以使磁矩翻轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫(xiě)入和讀取，大大降低了功耗并提高了讀寫(xiě)速度。在磁傳感器應(yīng)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(dāng)磁性隧道結(jié)用于檢測(cè)磁場(chǎng)時(shí)，垂直磁各向異性使得磁矩對(duì)磁場(chǎng)的變化更加敏感，能夠檢測(cè)到更微弱的磁場(chǎng)信號(hào)。由于垂直磁各向異性的存在，磁場(chǎng)的微小變化就能引起磁矩的明顯轉(zhuǎn)動(dòng)，從而導(dǎo)致隧道磁電阻的顯著變化，提高了傳感器的檢測(cè)能力。在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)中，基于垂直磁各向異性的磁性隧道結(jié)傳感器可以檢測(cè)到生物分子標(biāo)記產(chǎn)生的微弱磁場(chǎng)變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)疾病的早期診斷；在地質(zhì)勘探中，能夠探測(cè)到地下微弱的磁性礦物信號(hào)，為資源開(kāi)發(fā)提供重要依據(jù)。垂直磁各向異性在CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)中具有重要意義，它的產(chǎn)生源于多種微觀機(jī)制的協(xié)同作用，對(duì)磁性隧道結(jié)在磁隨機(jī)存儲(chǔ)器和磁傳感器等領(lǐng)域的性能提升起著關(guān)鍵作用。深入研究垂直磁各向異性的原理和調(diào)控方法，對(duì)于進(jìn)一步優(yōu)化CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)的性能，推動(dòng)自旋電子學(xué)器件的發(fā)展具有重要的理論和實(shí)際價(jià)值。三、CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)的制備工藝3.1制備方法選擇制備CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)的方法眾多，主要包括物理氣相沉積（PVD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）等，每種方法都有其獨(dú)特的原理、特點(diǎn)及適用場(chǎng)景。物理氣相沉積是在高溫下使金屬、合金或化合物蒸發(fā)，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(shù)，如蒸發(fā)鍍膜、濺射鍍膜和離子鍍等。蒸發(fā)鍍膜是通過(guò)加熱使材料蒸發(fā)，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(lái)并沉積在襯底上；離子鍍是在蒸發(fā)鍍膜的基礎(chǔ)上，引入離子轟擊，提高薄膜與襯底的結(jié)合力。物理氣相沉積的優(yōu)點(diǎn)顯著，它能夠精確控制薄膜的生長(zhǎng)速率，通過(guò)調(diào)整蒸發(fā)源的功率或?yàn)R射參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜生長(zhǎng)速率的精細(xì)調(diào)控，從而制備出厚度均勻的薄膜。同時(shí)，該方法能精確控制薄膜的成分，通過(guò)選擇合適的靶材或蒸發(fā)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(jié)時(shí)，能夠準(zhǔn)確控制CoFeB和MgO的成分比例，保證磁性隧道結(jié)的性能穩(wěn)定。物理氣相沉積還可以在復(fù)雜襯底上沉積薄膜，無(wú)論是平面襯底還是具有特殊形狀的襯底，都能實(shí)現(xiàn)均勻的薄膜沉積。化學(xué)氣相沉積是利用氣態(tài)的化學(xué)物質(zhì)在固體表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)沉積物的過(guò)程。其原理是將氣態(tài)的反應(yīng)物通入反應(yīng)室，在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的固態(tài)產(chǎn)物沉積在襯底上形成薄膜?；瘜W(xué)氣相沉積的優(yōu)勢(shì)在于可以制備出高質(zhì)量的薄膜，通過(guò)精確控制反應(yīng)條件，如溫度、氣體流量、壓力等，可以獲得結(jié)晶質(zhì)量好、純度高的薄膜。在制備MgO絕緣層時(shí)，能夠得到高質(zhì)量的MgO薄膜，減少缺陷和雜質(zhì)的存在，有利于提高磁性隧道結(jié)的隧道磁電阻效應(yīng)。該方法在大面積制備方面具有潛在優(yōu)勢(shì)，適合工業(yè)化生產(chǎn)。通過(guò)優(yōu)化反應(yīng)室的設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)大面積襯底上的均勻薄膜沉積，滿足大規(guī)模生產(chǎn)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(jié)時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此被本研究選用。磁控濺射法利用磁場(chǎng)約束電子，提高氣體的離化率，從而增強(qiáng)濺射效果。在制備過(guò)程中，電子在磁場(chǎng)的作用下做螺旋運(yùn)動(dòng)，增加了與氣體分子的碰撞幾率，使得氣體更容易被電離，產(chǎn)生更多的離子，進(jìn)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(zhǎng)控制方面表現(xiàn)出色，能夠精確控制薄膜的厚度。通過(guò)調(diào)整濺射時(shí)間、功率等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜厚度的精確控制，滿足磁性隧道結(jié)對(duì)各層薄膜厚度的嚴(yán)格要求。例如，在制備MgO絕緣層時(shí)，能夠精確控制其厚度在1-2納米的理想范圍內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)最佳的隧道磁電阻效應(yīng)。磁控濺射法還能實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜成分的精確控制。通過(guò)選擇高純度的靶材，并控制濺射過(guò)程中的各種參數(shù)，可以保證薄膜成分的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。在制備CoFeB磁性層時(shí)，能夠準(zhǔn)確控制Co、Fe、B的比例，確保磁性層的磁性參數(shù)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(guò)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(zhì)量和性能。在制備CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)時(shí)，能夠保證各層薄膜之間的界面質(zhì)量，減少界面缺陷，有利于提高磁性隧道結(jié)的性能。綜上所述，磁控濺射法在薄膜生長(zhǎng)控制、成分控制以及薄膜質(zhì)量等方面的優(yōu)勢(shì)，使其成為制備CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)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(jié)是一個(gè)精細(xì)且復(fù)雜的過(guò)程，涵蓋多個(gè)關(guān)鍵步驟，每一步都對(duì)最終器件的性能有著至關(guān)重要的影響。首先是襯底準(zhǔn)備環(huán)節(jié)。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(dǎo)體性能和與后續(xù)工藝的兼容性，在半導(dǎo)體器件制備中廣泛應(yīng)用；玻璃基片則因其成本較低、表面平整度較好，在一些對(duì)電學(xué)性能要求不高的應(yīng)用中較為常見(jiàn)。在使用前，需要對(duì)襯底進(jìn)行嚴(yán)格的清洗，以去除表面的雜質(zhì)、油污和氧化物等，確保薄膜能夠與襯底良好結(jié)合。清洗過(guò)程一般采用超聲清洗的方法，先將襯底放置于燒杯或培養(yǎng)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(qiáng)溶解性去除油污和有機(jī)物雜質(zhì)。隨后換用酒精溶液按同樣方法清洗十分鐘左右，進(jìn)一步去除殘留的丙酮和其他雜質(zhì)，最后用蒸餾水沖洗，以去除酒精和其他水溶性雜質(zhì)。清洗后的襯底保存在酒精溶液中備用，使用時(shí)取出用電吹風(fēng)快速吹干，以防止在保存過(guò)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(tǒng)，該系統(tǒng)主要由真空室、濺射靶材、射頻電源、磁場(chǎng)系統(tǒng)和氣體供應(yīng)系統(tǒng)等部分組成。在沉積過(guò)程中，將高純度的CoFeB和MgO靶材分別安裝在濺射靶位上，將經(jīng)過(guò)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(nèi)的本底真空度達(dá)到較高水平，一般為10??-10??Pa，以減少空氣中雜質(zhì)對(duì)薄膜質(zhì)量的影響。然后通入適量的氬氣作為工作氣體，通過(guò)射頻電源對(duì)靶材施加射頻功率，在磁場(chǎng)的作用下，氬氣被電離產(chǎn)生等離子體，其中的氬離子在電場(chǎng)的加速下轟擊靶材表面，使靶材原子濺射出來(lái)，并在襯底表面沉積形成薄膜。在沉積底層CoFeB磁性層時(shí)，精確控制濺射功率、氣體流量和沉積時(shí)間等參數(shù)。濺射功率一般在30-50W之間，通過(guò)調(diào)整功率可以控制氬離子轟擊靶材的能量和濺射原子的數(shù)量，從而影響薄膜的沉積速率和質(zhì)量。氣體流量通?？刂圃?0-20sccm，合適的氣體流量可以保證等離子體的穩(wěn)定性和濺射原子的均勻分布。沉積時(shí)間根據(jù)所需的薄膜厚度確定，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)和監(jiān)測(cè)，確定合適的沉積時(shí)間，以獲得厚度均勻、質(zhì)量良好的底層CoFeB磁性層。在底層CoFeB磁性層沉積完成后，進(jìn)行中間MgO絕緣層的濺射沉積。同樣需要精確控制濺射參數(shù)，濺射功率一般在80-120W之間，因?yàn)镸gO的濺射難度相對(duì)較大，需要較高的功率來(lái)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(wěn)定和薄膜的均勻生長(zhǎng)。MgO絕緣層的厚度對(duì)磁性隧道結(jié)的性能影響顯著，通常將其厚度控制在1-2納米范圍內(nèi)。通過(guò)精確控制沉積時(shí)間和濺射速率，實(shí)現(xiàn)對(duì)MgO絕緣層厚度的精確控制，以獲得最佳的隧道磁電阻效應(yīng)。最后沉積頂層CoFeB磁性層，其濺射參數(shù)與底層CoFeB磁性層類(lèi)似，但在實(shí)際操作中，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行微調(diào)。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(jié)的性能。完成各層薄膜的濺射沉積后，需要進(jìn)行退火處理。退火處理是改善磁性隧道結(jié)性能的重要步驟，它可以消除薄膜內(nèi)部的應(yīng)力，促進(jìn)晶體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，提高界面質(zhì)量。將制備好的磁性隧道結(jié)樣品放入真空退火爐中，在一定的溫度和氣氛下進(jìn)行退火處理。退火溫度一般在250-350℃之間，溫度過(guò)低無(wú)法有效改善薄膜性能，過(guò)高則可能導(dǎo)致薄膜結(jié)構(gòu)的破壞和元素的擴(kuò)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(guò)程中被氧化。退火時(shí)間一般為1-2小時(shí)，通過(guò)合適的退火時(shí)間，使薄膜內(nèi)部的原子有足夠的時(shí)間進(jìn)行重新排列和擴(kuò)散，從而改善薄膜的性能。在退火過(guò)程中，還可以施加一定的磁場(chǎng)，以調(diào)控磁性層的磁矩取向，進(jìn)一步優(yōu)化磁性隧道結(jié)的性能。例如，通過(guò)施加與薄膜平面垂直的磁場(chǎng)，可以增強(qiáng)垂直磁各向異性，提高磁性隧道結(jié)在垂直方向上的磁性能。通過(guò)精確控制退火溫度、時(shí)間、氣氛和磁場(chǎng)等參數(shù)，可以有效改善磁性隧道結(jié)的性能，提高其隧道磁電阻效應(yīng)和穩(wěn)定性。3.3制備過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)控制在利用磁控濺射法制備CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)的過(guò)程中，濺射功率、氣壓、溫度等參數(shù)對(duì)薄膜質(zhì)量和性能有著至關(guān)重要的影響，精確控制這些參數(shù)是制備高質(zhì)量磁性隧道結(jié)的關(guān)鍵。濺射功率是影響薄膜沉積速率和質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)濺射功率較低時(shí)，靶材原子獲得的能量較少，濺射出來(lái)的原子數(shù)量也相對(duì)較少，導(dǎo)致薄膜的沉積速率較低。此時(shí)，原子在襯底表面的遷移能力較弱，容易形成非晶態(tài)或晶粒尺寸較小的薄膜結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)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(shí)，低濺射功率可能導(dǎo)致磁性層的飽和磁化強(qiáng)度降低，磁各向異性不穩(wěn)定，從而影響磁性隧道結(jié)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(lái)的原子數(shù)量增多，薄膜的沉積速率顯著提高。同時(shí)，原子在襯底表面的遷移能力增強(qiáng)，有利于形成更均勻、致密的薄膜結(jié)構(gòu)。在適當(dāng)?shù)臑R射功率下，CoFeB磁性層能夠獲得較好的結(jié)晶質(zhì)量，其飽和磁化強(qiáng)度和磁各向異性能夠達(dá)到理想狀態(tài)，從而提高磁性隧道結(jié)的性能。如果濺射功率過(guò)高，會(huì)帶來(lái)一系列問(wèn)題。過(guò)高的功率會(huì)使靶材表面溫度急劇升高，可能導(dǎo)致靶材“中毒”現(xiàn)象，即靶材表面被反應(yīng)氣體或雜質(zhì)覆蓋，影響濺射效率和薄膜質(zhì)量。過(guò)高的功率還會(huì)使沉積到襯底上的原子具有過(guò)高的能量，導(dǎo)致薄膜內(nèi)部應(yīng)力過(guò)大，容易產(chǎn)生裂紋或缺陷，降低薄膜的質(zhì)量和穩(wěn)定性。在制備MgO絕緣層時(shí)，過(guò)高的濺射功率可能導(dǎo)致MgO薄膜的結(jié)晶質(zhì)量變差，界面粗糙度增加，從而降低磁性隧道結(jié)的隧道磁電阻效應(yīng)。因此，在制備CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)時(shí)，需要根據(jù)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(duì)于CoFeB磁性層，濺射功率一般控制在30-50W之間；對(duì)于MgO絕緣層，由于其濺射難度相對(duì)較大，濺射功率通常在80-120W之間。氣壓對(duì)薄膜的結(jié)晶質(zhì)量、表面粗糙度和致密度等性能有著顯著影響。當(dāng)氣壓過(guò)高時(shí)，氣體電離程度提高，但濺射原子在到達(dá)襯底前與氣體分子的碰撞次數(shù)增多，損失大量能量。這使得到達(dá)襯底的濺射原子遷移能力受限，難以進(jìn)行有序排列，從而導(dǎo)致結(jié)晶質(zhì)量變差，薄膜可能呈現(xiàn)出非晶態(tài)或結(jié)晶不完整的狀態(tài)。過(guò)高的氣壓還會(huì)使濺射原子在碰撞后以不均勻的方式到達(dá)襯底，導(dǎo)致薄膜表面粗糙度增加。在制備CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)時(shí)，過(guò)高的氣壓會(huì)使CoFeB磁性層和MgO絕緣層的界面質(zhì)量變差，增加電子散射，降低隧道磁電阻效應(yīng)。當(dāng)氣壓過(guò)低時(shí)，氣體電離困難，難以發(fā)生濺射起輝效果，沉積速率極低，無(wú)法形成連續(xù)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(dá)襯底并進(jìn)行良好的結(jié)晶，使薄膜具有較好的結(jié)晶質(zhì)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(shí)薄膜的致密度也能得到保證。一般來(lái)說(shuō)，在磁控濺射制備CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)時(shí)，氣壓控制在0.3-0.6Pa之間較為合適。通過(guò)精確控制氣壓，可以獲得高質(zhì)量的CoFeB磁性層和MgO絕緣層，提高磁性隧道結(jié)的性能。溫度對(duì)薄膜的結(jié)晶性和附著力等性能有著重要影響。當(dāng)襯底溫度較低時(shí)，濺射原子在襯底表面的擴(kuò)散能力較弱，原子來(lái)不及進(jìn)行有序排列，薄膜容易形成無(wú)定形結(jié)構(gòu)。這種無(wú)定形結(jié)構(gòu)的薄膜可能存在較多的缺陷，其磁性能和電學(xué)性能都可能受到影響。在沉積CoFeB磁性層時(shí)，低溫可能導(dǎo)致磁性層的磁各向異性不穩(wěn)定，飽和磁化強(qiáng)度降低。隨著襯底溫度的升高，原子的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，薄膜的結(jié)晶性提高，晶粒尺寸增大，結(jié)晶更加完整。適當(dāng)提高襯底溫度，能夠增強(qiáng)薄膜與襯底之間的附著力。這是因?yàn)楦邷叵拢∧ず鸵r底之間的界面處原子的相互擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)增強(qiáng)，形成了更牢固的結(jié)合。在制備CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)時(shí)，適當(dāng)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(jié)的穩(wěn)定性。如果襯底溫度過(guò)高，可能會(huì)導(dǎo)致襯底和薄膜的熱膨脹系數(shù)差異增大，產(chǎn)生熱應(yīng)力，反而會(huì)降低附著力。過(guò)高的溫度還可能導(dǎo)致薄膜中的元素?cái)U(kuò)散加劇，影響薄膜的成分和性能。在退火過(guò)程中，溫度過(guò)高可能會(huì)使CoFeB磁性層和MgO絕緣層之間的界面發(fā)生變化，導(dǎo)致隧道磁電阻效應(yīng)降低。因此，在制備過(guò)程中，需要根據(jù)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(guò)程中，襯底溫度一般控制在室溫至200℃之間；在退火處理時(shí)，溫度一般在250-350℃之間。為了優(yōu)化這些關(guān)鍵參數(shù)，需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)設(shè)計(jì)多組實(shí)驗(yàn)，分別改變?yōu)R射功率、氣壓、溫度等參數(shù)，制備一系列CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)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(shù)對(duì)樣品的晶體結(jié)構(gòu)、微觀形貌和界面質(zhì)量進(jìn)行詳細(xì)分析。利用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM）、超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）等設(shè)備測(cè)量樣品的磁性能，采用四探針?lè)?、電?電壓（I-V）測(cè)量等技術(shù)測(cè)試樣品的電學(xué)性能。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，建立起參數(shù)與薄膜質(zhì)量和性能之間的關(guān)系模型。根據(jù)模型，確定最佳的制備參數(shù)范圍，以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)的制備。在實(shí)際制備過(guò)程中，還需要考慮設(shè)備的穩(wěn)定性、重復(fù)性等因素，對(duì)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，以確保制備出的磁性隧道結(jié)性能穩(wěn)定、一致性好。3.4制備過(guò)程中的注意事項(xiàng)與問(wèn)題解決在CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)的制備過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)多種影響薄膜質(zhì)量和器件性能的問(wèn)題，需要格外注意并采取相應(yīng)的解決措施。薄膜不均勻是常見(jiàn)問(wèn)題之一。在磁控濺射過(guò)程中，若靶材表面的濺射不均勻，會(huì)導(dǎo)致沉積到襯底上的薄膜厚度不一致，進(jìn)而影響磁性隧道結(jié)的性能。當(dāng)濺射靶材表面存在雜質(zhì)或磨損不均勻時(shí)，會(huì)使不同區(qū)域的濺射原子數(shù)量和能量分布不同，導(dǎo)致薄膜厚度出現(xiàn)差異。襯底的溫度分布不均勻也會(huì)對(duì)薄膜的生長(zhǎng)產(chǎn)生影響，溫度較高的區(qū)域原子遷移能力較強(qiáng)，薄膜生長(zhǎng)較快；溫度較低的區(qū)域原子遷移能力較弱，薄膜生長(zhǎng)較慢，從而導(dǎo)致薄膜厚度不均勻。為解決這一問(wèn)題，可對(duì)濺射設(shè)備進(jìn)行定期維護(hù)和清潔，確保靶材表面的清潔和平整，減少雜質(zhì)和磨損對(duì)濺射均勻性的影響。在濺射過(guò)程中，采用旋轉(zhuǎn)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(guò)優(yōu)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(tǒng)，確保襯底溫度分布均勻，從而改善薄膜的均勻性。氧化問(wèn)題也不容忽視。在制備過(guò)程中，CoFeB磁性層和MgO絕緣層都有可能被氧化，這會(huì)嚴(yán)重影響磁性隧道結(jié)的性能。當(dāng)系統(tǒng)的真空度不足時(shí)，空氣中的氧氣會(huì)進(jìn)入真空室，與薄膜表面的原子發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致薄膜氧化。在薄膜沉積完成后，如果暴露在空氣中的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，也容易被氧化。氧化會(huì)使CoFeB磁性層的磁性發(fā)生變化，如飽和磁化強(qiáng)度降低、磁各向異性改變等，從而影響磁性隧道結(jié)的磁性能。氧化還會(huì)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(yīng)。為防止氧化，在制備過(guò)程中要確保系統(tǒng)的真空度達(dá)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(yīng)盡快進(jìn)行后續(xù)處理或封裝，減少薄膜與空氣的接觸時(shí)間。在退火處理時(shí)，采用真空退火或在惰性氣體（如氬氣）保護(hù)下進(jìn)行退火，避免樣品在退火過(guò)程中被氧化。界面質(zhì)量不佳也是制備過(guò)程中需要解決的重要問(wèn)題。CoFeB磁性層與MgO絕緣層之間的界面質(zhì)量對(duì)磁性隧道結(jié)的性能有著關(guān)鍵影響。如果界面存在缺陷、粗糙度較大或晶格失配嚴(yán)重，會(huì)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(yīng)。在濺射沉積過(guò)程中，工藝參數(shù)的不合理設(shè)置，如濺射功率過(guò)高、氣壓過(guò)大等，會(huì)導(dǎo)致薄膜生長(zhǎng)不均勻，界面粗糙度增加。襯底表面的清潔程度也會(huì)影響界面質(zhì)量，若襯底表面存在雜質(zhì)，會(huì)阻礙薄膜與襯底的良好結(jié)合，導(dǎo)致界面缺陷增多。為改善界面質(zhì)量，需要優(yōu)化制備工藝參數(shù)，精確控制濺射功率、氣壓、溫度等參數(shù)，確保薄膜生長(zhǎng)均勻，減少界面缺陷。在襯底準(zhǔn)備階段，對(duì)襯底進(jìn)行嚴(yán)格的清洗和預(yù)處理，去除表面的雜質(zhì)和氧化物，提高襯底表面的平整度和清潔度，為薄膜的生長(zhǎng)提供良好的基礎(chǔ)。在薄膜沉積過(guò)程中，可以采用緩沖層或過(guò)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(yīng)力，提高界面質(zhì)量。通過(guò)對(duì)制備過(guò)程中可能出現(xiàn)的薄膜不均勻、氧化、界面質(zhì)量不佳等問(wèn)題的重視，并采取相應(yīng)的解決措施，可以有效提高CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)的制備質(zhì)量，為其在自旋電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。四、CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)的結(jié)構(gòu)與特性表征4.1結(jié)構(gòu)表征技術(shù)在對(duì)CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)的研究中，深入了解其結(jié)構(gòu)和微觀形貌是探究其性能的基礎(chǔ)，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(shù)為我們提供了有效的研究手段。X射線衍射（XRD）技術(shù)基于布拉格定律，當(dāng)一束單色X射線入射到晶體時(shí)，由于晶體是由原子規(guī)則排列成的晶胞組成，規(guī)則排列的原子間距離與入射X射線波長(zhǎng)具有相同數(shù)量級(jí)，使得通過(guò)不同原子散射的X射線相互干涉，在某些特殊方向上產(chǎn)生衍射，衍射線的位置和強(qiáng)度的空間分布與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)的研究中，XRD用于確定各層薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和取向。通過(guò)分析XRD圖譜中的衍射峰位置和強(qiáng)度，可以判斷CoFeB磁性層和MgO絕緣層是處于晶態(tài)還是非晶態(tài)。若MgO絕緣層呈現(xiàn)出尖銳的衍射峰，則表明其結(jié)晶質(zhì)量良好；若衍射峰寬化或消失，則可能為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。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(duì)磁性隧道結(jié)的磁性能有重要影響。例如，當(dāng)CoFeB磁性層具有特定的晶體取向時(shí)，其磁各向異性會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響磁性隧道結(jié)的性能。高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)的高分辨率成像，分辨率可達(dá)0.1-0.2nm。在研究CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)時(shí)，HRTEM可以清晰地觀察到各層薄膜的微觀結(jié)構(gòu)，包括晶體結(jié)構(gòu)、晶格缺陷等。通過(guò)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(yīng)；反之，若界面存在大量缺陷和粗糙度，會(huì)增加電子散射，降低隧道磁電阻效應(yīng)。HRTEM還可以用于觀察薄膜中的位錯(cuò)、層錯(cuò)等晶格缺陷，這些缺陷會(huì)影響薄膜的力學(xué)性能和電學(xué)性能，進(jìn)而影響磁性隧道結(jié)的性能。原子力顯微鏡（AFM）通過(guò)檢測(cè)微懸臂一端針尖與樣品表面原子間的微弱作用力，來(lái)獲取樣品表面形貌的信息。在CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)的研究中，AFM主要用于測(cè)量薄膜的表面形貌和粗糙度。通過(guò)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(shuō)明薄膜生長(zhǎng)均勻，有利于提高磁性隧道結(jié)的性能；而較大的表面粗糙度可能導(dǎo)致界面質(zhì)量下降，增加電子散射，降低隧道磁電阻效應(yīng)。AFM還可以測(cè)量薄膜表面的顆粒尺寸和分布情況，這些信息對(duì)于了解薄膜的生長(zhǎng)機(jī)制和優(yōu)化制備工藝具有重要意義。例如，通過(guò)分析AFM圖像中顆粒的尺寸和分布，可以判斷制備過(guò)程中薄膜的生長(zhǎng)模式，從而調(diào)整制備工藝參數(shù)，獲得更均勻的薄膜。這些結(jié)構(gòu)表征技術(shù)在CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)的研究中各有側(cè)重，相互補(bǔ)充。XRD從宏觀角度提供晶體結(jié)構(gòu)和取向信息，HRTEM深入到原子層面揭示微觀結(jié)構(gòu)和界面細(xì)節(jié)，AFM則專(zhuān)注于表面形貌和粗糙度的分析。通過(guò)綜合運(yùn)用這些技術(shù)，可以全面、深入地了解CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)的結(jié)構(gòu)和微觀形貌，為其性能研究和優(yōu)化提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。4.2磁性表征技術(shù)振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（VibratingSampleMagnetometer，VSM）是研究CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)磁性特性的重要工具，它能夠精確測(cè)量磁滯回線、飽和磁化強(qiáng)度等關(guān)鍵磁性參數(shù)，為深入了解磁性隧道結(jié)的磁學(xué)性能提供重要依據(jù)。VSM的工作原理基于法拉第電磁感應(yīng)定律。當(dāng)樣品在恒定磁場(chǎng)中振動(dòng)時(shí)，樣品的磁矩會(huì)在空間中產(chǎn)生變化，從而在檢測(cè)線圈中誘導(dǎo)電壓信號(hào)。具體而言，VSM主要由磁場(chǎng)生成系統(tǒng)、樣品振動(dòng)系統(tǒng)、信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。磁場(chǎng)生成系統(tǒng)通常由電磁鐵或永磁體構(gòu)成，可產(chǎn)生恒定或交變的強(qiáng)磁場(chǎng)，為測(cè)量樣品提供所需的外加磁場(chǎng)。電磁鐵通過(guò)控制電流大小可以精細(xì)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度，而永磁體則可以提供更穩(wěn)定的恒定磁場(chǎng)，但磁場(chǎng)強(qiáng)度無(wú)法動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。樣品振動(dòng)系統(tǒng)利用高精度的電磁振動(dòng)器帶動(dòng)樣品進(jìn)行垂直微小振動(dòng)，振動(dòng)頻率、振幅大小可以精確控制。同時(shí)配備光電傳感器，能夠精確測(cè)量樣品的振動(dòng)位移，確保樣品振動(dòng)的穩(wěn)定性和線性。此外，樣品振動(dòng)系統(tǒng)采用專(zhuān)業(yè)的隔振設(shè)計(jì)，避免外部干擾，確保樣品振動(dòng)信號(hào)的純度和可靠性。信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)使用精密的感應(yīng)線圈檢測(cè)振動(dòng)樣品產(chǎn)生的微弱磁信號(hào)，并通過(guò)高增益放大器將信號(hào)放大至可測(cè)量的水平。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，樣品的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)會(huì)誘導(dǎo)感應(yīng)線圈中產(chǎn)生電流信號(hào)，該電流信號(hào)正比于樣品的磁矩。信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)數(shù)字化，計(jì)算機(jī)軟件可對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理和分析，得到樣品的磁滯特性。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)能夠自動(dòng)采集樣品的磁性數(shù)據(jù)，并將其存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理奠定基礎(chǔ)。強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以對(duì)采集的磁性數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并以直觀的圖表形式展示出來(lái)，幫助用戶(hù)更好地理解和解釋測(cè)試結(jié)果。專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件能夠自動(dòng)繪制出樣品的磁滯回線，并計(jì)算出相關(guān)的磁性參數(shù)，為材料性能評(píng)估提供重要依據(jù)。在使用VSM測(cè)量CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)的磁性參數(shù)時(shí)，需要遵循一定的方法。首先是樣品準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，對(duì)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(zhì)量。一般要求薄膜樣品的尺寸控制在2mm以?xún)?nèi)，以確保在振動(dòng)過(guò)程中樣品不會(huì)偏移，影響信號(hào)檢測(cè)的穩(wěn)定性。同時(shí)，為了提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，盡量增加樣品的有效面積，例如可以通過(guò)多次沉積相同結(jié)構(gòu)的磁性隧道結(jié)，增加樣品的厚度，從而增強(qiáng)磁性信號(hào)。對(duì)于塊狀樣品，同樣要確保其尺寸符合測(cè)試要求，并且表面平整，以保證樣品在磁場(chǎng)中能夠均勻受力，穩(wěn)定振動(dòng)。在安裝樣品時(shí)，將樣品固定在振動(dòng)桿上，確保樣品處于磁場(chǎng)中心位置。調(diào)節(jié)樣品位置，使其在振動(dòng)過(guò)程中始終保持穩(wěn)定，不會(huì)與周?chē)考l(fā)生碰撞或摩擦，以免產(chǎn)生額外的干擾信號(hào)。設(shè)定測(cè)試參數(shù)是測(cè)量過(guò)程中的關(guān)鍵步驟。根據(jù)測(cè)試需求設(shè)定外加磁場(chǎng)強(qiáng)度，最大磁場(chǎng)通常為±3T，可根據(jù)樣品的磁性強(qiáng)弱進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。對(duì)于CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)，由于其磁性較強(qiáng)，一般可以在較大的磁場(chǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，以全面了解其磁滯特性。測(cè)試溫度默認(rèn)在室溫下進(jìn)行，若需研究磁性隧道結(jié)在不同溫度下的磁性變化，可以通過(guò)連接變溫設(shè)備，如物理性能測(cè)量系統(tǒng)（PPMS），實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確控制。數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)通常設(shè)置為120-150點(diǎn)，以保證能夠準(zhǔn)確描繪出磁滯回線的形狀。點(diǎn)數(shù)過(guò)少可能會(huì)丟失一些關(guān)鍵信息，導(dǎo)致對(duì)磁性參數(shù)的計(jì)算不準(zhǔn)確；點(diǎn)數(shù)過(guò)多則會(huì)增加測(cè)量時(shí)間和數(shù)據(jù)處理的難度。啟動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)后，開(kāi)啟振蕩器和驅(qū)動(dòng)線圈，帶動(dòng)樣品在外加磁場(chǎng)中以固定頻率振動(dòng)。樣品在磁場(chǎng)中的振動(dòng)會(huì)在檢測(cè)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，通過(guò)鎖相放大器放大并提取出與樣品磁矩成正比的信號(hào)。鎖相放大器能夠有效去除噪聲干擾，提高信號(hào)的質(zhì)量，確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。在數(shù)據(jù)采集階段，系統(tǒng)在鎖相放大器的作用下，采集樣品在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下的磁性響應(yīng)數(shù)據(jù)。記錄得到的直流電壓，即樣品總磁矩的電壓信號(hào)和磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)，形成完整的磁滯回線或磁化曲線。完成測(cè)試后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入分析軟件，通過(guò)圖示化處理得到磁滯回線圖。根據(jù)回線中的關(guān)鍵特征點(diǎn)，如飽和磁化強(qiáng)度點(diǎn)、矯頑力點(diǎn)、剩磁點(diǎn)等，可提取出樣品的飽和磁化強(qiáng)度、矯頑力、剩磁等重要磁性參數(shù)。進(jìn)一步分析磁滯回線的形狀、對(duì)稱(chēng)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(guò)分析磁滯回線的矩形度，可以判斷磁性隧道結(jié)中磁性層的磁矩取向一致性；通過(guò)比較不同方向的磁滯回線，能夠研究磁性隧道結(jié)的磁各向異性特性。4.3電學(xué)特性表征技術(shù)在研究CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)的電學(xué)特性時(shí)，四探針?lè)?、電?電壓（I-V）測(cè)量等技術(shù)發(fā)揮著關(guān)鍵作用，它們能夠精確測(cè)量磁性隧道結(jié)的電阻、TMR值等電學(xué)參數(shù)，為深入理解其電學(xué)性能提供重要依據(jù)。四探針?lè)ㄊ且环N廣泛應(yīng)用于測(cè)量材料電阻的技術(shù)，其原理基于在一塊相對(duì)于探針間距可視為半無(wú)窮大的均勻電阻率的樣品上，設(shè)置兩個(gè)點(diǎn)電流源。當(dāng)電流由一個(gè)點(diǎn)電流源流入，從另一個(gè)點(diǎn)電流源流出時(shí)，在樣品上另外兩個(gè)探針的位置會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差。具體到CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)的測(cè)量中，將四根前端精磨成針尖狀的金屬細(xì)棒作為探針。其中，1、4號(hào)探針與高精度的直流穩(wěn)流電源相聯(lián)，用于提供穩(wěn)定的電流；2、3號(hào)探針與高精度（精確到0.1μV）數(shù)字電壓表或電位差計(jì)相聯(lián)，用于測(cè)量電壓降。對(duì)于大塊狀或板狀的磁性隧道結(jié)試樣（尺寸遠(yuǎn)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(duì)于細(xì)條狀或細(xì)棒狀試樣，四根探針呈正方形或矩形排列更為有利。當(dāng)穩(wěn)流源通過(guò)1、4探針提供給試樣一個(gè)穩(wěn)定的電流時(shí)，在2、3探針上測(cè)得一個(gè)電壓值V23。根據(jù)相關(guān)公式，結(jié)合電流值和電壓值，即可計(jì)算出磁性隧道結(jié)的電阻。在測(cè)量回路中，穩(wěn)流電路中的導(dǎo)線電阻和探針與樣品的接觸電阻與被測(cè)電阻串聯(lián)在穩(wěn)流電路中，不會(huì)影響測(cè)量的結(jié)果。在測(cè)量回路中，與數(shù)字電壓表內(nèi)阻串聯(lián)的電阻，當(dāng)被測(cè)電阻很?。ɡ缧∮?Ω），而電壓表內(nèi)阻很大時(shí)，其對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響在有效數(shù)字以外，測(cè)量結(jié)果足夠精確。電流-電壓（I-V）測(cè)量技術(shù)通過(guò)測(cè)量磁性隧道結(jié)兩端的電壓與通過(guò)的電流之間的關(guān)系，來(lái)獲取其電學(xué)特性。在測(cè)量時(shí)，使用源表等設(shè)備，逐漸改變施加在磁性隧道結(jié)兩端的電壓，同時(shí)精確測(cè)量通過(guò)的電流。對(duì)于CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)，當(dāng)兩個(gè)CoFeB磁性層的磁矩方向平行時(shí)，其處于低電阻狀態(tài)，在相同電壓下通過(guò)的電流較大；當(dāng)磁矩方向反平行時(shí)，處于高電阻狀態(tài)，通過(guò)的電流較小。通過(guò)繪制I-V曲線，可以清晰地觀察到磁性隧道結(jié)在不同磁矩狀態(tài)下的電阻變化情況。從I-V曲線中，可以得到磁性隧道結(jié)的電阻值，以及電阻隨電壓的變化趨勢(shì)。還可以通過(guò)計(jì)算不同電壓下的電阻變化率，來(lái)分析磁性隧道結(jié)的非線性特性。在分析I-V曲線時(shí)，若曲線呈現(xiàn)出明顯的非線性，說(shuō)明磁性隧道結(jié)存在一些特殊的電學(xué)性質(zhì)，如隧道效應(yīng)等。此時(shí)，需要進(jìn)一步研究其微觀機(jī)制，以深入理解磁性隧道結(jié)的電學(xué)性能。通過(guò)四探針?lè)ê碗娏?電壓（I-V）測(cè)量技術(shù)獲得磁性隧道結(jié)的電阻數(shù)據(jù)后，就可以計(jì)算其隧道磁電阻（TMR）值。TMR值的計(jì)算公式為：TMR=（Rap-Rp）/Rp×100%，其中Rap為兩個(gè)CoFeB磁性層磁矩反平行時(shí)的電阻，Rp為磁矩平行時(shí)的電阻。TMR值反映了磁性隧道結(jié)在不同磁矩狀態(tài)下電阻的相對(duì)變化程度，是衡量其性能的重要指標(biāo)。較高的TMR值意味著磁性隧道結(jié)在磁矩狀態(tài)切換時(shí)電阻變化明顯，有利于在磁隨機(jī)存儲(chǔ)器等應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)和讀取。在實(shí)際測(cè)量中，為了提高TMR值的測(cè)量準(zhǔn)確性，需要多次測(cè)量不同磁矩狀態(tài)下的電阻，并取平均值進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)，要注意測(cè)量環(huán)境的穩(wěn)定性，避免溫度、電磁干擾等因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。這些電學(xué)特性表征技術(shù)在研究CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)時(shí)相互補(bǔ)充，四探針?lè)?zhǔn)確測(cè)量電阻，電流-電壓（I-V）測(cè)量揭示電阻與電壓的關(guān)系，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算得到TMR值。通過(guò)綜合運(yùn)用這些技術(shù)，可以全面、深入地了解磁性隧道結(jié)的電學(xué)性能，為其性能優(yōu)化和應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供有力支持。五、CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)的特性研究5.1磁性能特性CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)的磁性能特性對(duì)其在自旋電子學(xué)器件中的應(yīng)用至關(guān)重要，其中飽和磁化強(qiáng)度、矯頑力和垂直磁各向異性等參數(shù)是衡量其磁性能的關(guān)鍵指標(biāo)，這些參數(shù)受到多種因素的綜合影響。飽和磁化強(qiáng)度是磁性材料的重要參數(shù)之一，它反映了材料在飽和磁場(chǎng)下的磁化程度。在CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)中，CoFeB磁性層的成分對(duì)飽和磁化強(qiáng)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(huì)導(dǎo)致其電子結(jié)構(gòu)和磁性發(fā)生變化。當(dāng)Co含量較高時(shí)，由于Co的3d電子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其對(duì)飽和磁化強(qiáng)度的貢獻(xiàn)較大，使得磁性隧道結(jié)的飽和磁化強(qiáng)度增加。硼（B）的含量也會(huì)影響飽和磁化強(qiáng)度，適量的B可以調(diào)節(jié)CoFeB的晶體結(jié)構(gòu)和電子態(tài)密度，優(yōu)化磁性性能。當(dāng)B含量過(guò)高時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致非磁性相的出現(xiàn)，從而降低飽和磁化強(qiáng)度。CoFeB磁性層的厚度對(duì)飽和磁化強(qiáng)度也有影響。隨著CoFeB磁性層厚度的增加，其內(nèi)部的磁矩?cái)?shù)量增多，飽和磁化強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)增大。當(dāng)厚度增加到一定程度后，由于磁性層內(nèi)部的磁疇結(jié)構(gòu)變化以及界面效應(yīng)的影響，飽和磁化強(qiáng)度的增長(zhǎng)趨勢(shì)會(huì)逐漸變緩。在實(shí)際應(yīng)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(qiáng)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(qiáng)度降為零所需施加的反向磁場(chǎng)強(qiáng)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(jié)中，界面粗糙度會(huì)對(duì)矯頑力產(chǎn)生影響。當(dāng)CoFeB磁性層與MgO絕緣層之間的界面粗糙度較大時(shí)，界面處的磁矩分布不均勻，存在較多的磁疇壁釘扎點(diǎn)，這使得磁矩翻轉(zhuǎn)時(shí)需要克服更大的阻力，從而導(dǎo)致矯頑力增大。制備工藝中的濺射功率、氣壓等參數(shù)會(huì)影響薄膜的生長(zhǎng)質(zhì)量，進(jìn)而影響界面粗糙度。較高的濺射功率可能會(huì)導(dǎo)致原子沉積速率過(guò)快，使得薄膜生長(zhǎng)不均勻，界面粗糙度增加，從而增大矯頑力。退火處理也會(huì)影響矯頑力。適當(dāng)?shù)耐嘶鹛幚砜梢韵∧?nèi)部的應(yīng)力，改善晶體結(jié)構(gòu)和界面質(zhì)量，減少磁疇壁釘扎點(diǎn)，從而降低矯頑力。如果退火溫度過(guò)高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能會(huì)導(dǎo)致磁性層的晶粒長(zhǎng)大，磁各向異性發(fā)生變化，反而使矯頑力增大。因此，在制備過(guò)程中，需要精確控制退火工藝參數(shù)，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(jié)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(jié)中，界面各向異性對(duì)垂直磁各向異性起著關(guān)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(huì)導(dǎo)致界面處產(chǎn)生額外的各向異性能。當(dāng)界面處的原子形成良好的化學(xué)鍵合，且電子云分布在垂直方向上具有優(yōu)勢(shì)時(shí)，會(huì)增強(qiáng)垂直磁各向異性。通過(guò)優(yōu)化制備工藝，如控制濺射參數(shù)、采用合適的緩沖層等，可以改善界面質(zhì)量，增強(qiáng)界面各向異性，從而提高垂直磁各向異性。在濺射沉積過(guò)程中，精確控制濺射功率、氣壓和溫度等參數(shù)，能夠使CoFeB磁性層與MgO絕緣層之間形成高質(zhì)量的界面，增強(qiáng)垂直磁各向異性。使用Ta等緩沖層，可以調(diào)節(jié)界面的晶格匹配度，減少界面應(yīng)力，進(jìn)一步增強(qiáng)垂直磁各向異性。飽和磁化強(qiáng)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(jié)中相互關(guān)聯(lián)、相互影響。合適的飽和磁化強(qiáng)度有助于增強(qiáng)自旋極化電流，提高隧道磁電阻效應(yīng)；較低的矯頑力有利于實(shí)現(xiàn)快速的磁矩翻轉(zhuǎn)，提高器件的讀寫(xiě)速度；而較強(qiáng)的垂直磁各向異性則能夠保證磁矩的穩(wěn)定取向，提高器件的存儲(chǔ)密度和穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮這些磁性能特性，通過(guò)優(yōu)化制備工藝和材料參數(shù)，實(shí)現(xiàn)磁性隧道結(jié)性能的最優(yōu)化，以滿足磁隨機(jī)存儲(chǔ)器、磁傳感器等自旋電子學(xué)器件的不同應(yīng)用需求。5.2電學(xué)性能特性CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)的電學(xué)性能特性是其在自旋電子學(xué)應(yīng)用中的關(guān)鍵性能指標(biāo)，其中電阻、TMR值以及電流-電壓（I-V）特性等參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，受到結(jié)構(gòu)和磁性能等多方面因素的綜合影響。電阻是磁性隧道結(jié)的基本電學(xué)參數(shù)之一，其大小與結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。絕緣層MgO的厚度對(duì)電阻有著顯著影響。當(dāng)MgO絕緣層較薄時(shí)，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(shì)壘增大，隧穿概率降低，電阻顯著增大。當(dāng)MgO絕緣層厚度從1納米增加到2納米時(shí)，磁性隧道結(jié)的電阻可能會(huì)增大數(shù)倍。CoFeB磁性層的厚度和質(zhì)量也會(huì)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(zhì)，會(huì)增加電子散射，導(dǎo)致電阻增大。界面質(zhì)量對(duì)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(huì)影響電子的隧穿過(guò)程。若界面粗糙度較大，電子在隧穿過(guò)程中會(huì)發(fā)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(guò)優(yōu)化制備工藝，改善界面質(zhì)量，可以有效降低電阻。在磁控濺射制備過(guò)程中，精確控制濺射參數(shù)，如濺射功率、氣壓和溫度等，可以獲得高質(zhì)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(jié)性能的重要指標(biāo)，它與磁性能和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。當(dāng)兩個(gè)CoFeB磁性層的磁矩方向平行時(shí)，電子的隧穿概率較大，磁性隧道結(jié)處于低電阻狀態(tài)；當(dāng)磁矩方向反平行時(shí)，電子隧穿概率較小，磁性隧道結(jié)處于高電阻狀態(tài)。TMR值反映了這兩種狀態(tài)下電阻的相對(duì)變化程度，其計(jì)算公式為：TMR=（Rap-Rp）/Rp×100%，其中Rap為兩個(gè)CoFeB磁性層磁矩反平行時(shí)的電阻，Rp為磁矩平行時(shí)的電阻。CoFeB磁性層的飽和磁化強(qiáng)度和自旋極化率對(duì)TMR值有重要影響。較大的飽和磁化強(qiáng)度有助于增強(qiáng)自旋極化電流，提高TMR值。高自旋極化率的CoFeB磁性層能夠發(fā)射更多具有特定自旋方向的電子，為實(shí)現(xiàn)高效的自旋相關(guān)輸運(yùn)奠定基礎(chǔ)，進(jìn)而提高TMR值。通過(guò)精確控制CoFeB磁性層的成分和厚度，可以?xún)?yōu)化其磁性參數(shù)，提高TMR值。絕緣層MgO的晶體結(jié)構(gòu)和界面質(zhì)量也會(huì)影響TMR值。MgO（001）面與CoFeB的晶格匹配度較高，能夠形成高質(zhì)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(yán)重，會(huì)增加電子散射，降低電子的隧穿概率，從而減小TMR值。通過(guò)優(yōu)化制備工藝，改善MgO絕緣層的晶體結(jié)構(gòu)和界面質(zhì)量，可以有效提高TMR值。在退火處理過(guò)程中，適當(dāng)?shù)耐嘶饻囟群蜁r(shí)間可以促進(jìn)MgO絕緣層的結(jié)晶，改善界面質(zhì)量，提高TMR值。電流-電壓（I-V）特性是研究CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)電學(xué)性能的重要方面。在測(cè)量I-V特性時(shí)，使用源表等設(shè)備，逐漸改變施加在磁性隧道結(jié)兩端的電壓，同時(shí)精確測(cè)量通過(guò)的電流。當(dāng)兩個(gè)CoFeB磁性層的磁矩方向平行時(shí)，在相同電壓下通過(guò)的電流較大；當(dāng)磁矩方向反平行時(shí)，通過(guò)的電流較小。通過(guò)繪制I-V曲線，可以清晰地觀察到磁性隧道結(jié)在不同磁矩狀態(tài)下的電阻變化情況。從I-V曲線中，可以得到磁性隧道結(jié)的電阻值，以及電阻隨電壓的變化趨勢(shì)。還可以通過(guò)計(jì)算不同電壓下的電阻變化率，來(lái)分析磁性隧道結(jié)的非線性特性。在低電壓范圍內(nèi)，I-V曲線通常呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，電阻基本保持不變。隨著電壓的增加，可能會(huì)出現(xiàn)非線性現(xiàn)象，電阻會(huì)發(fā)生變化。這可能是由于電子的隧穿過(guò)程受到電壓的影響，或者磁性隧道結(jié)內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。在高電壓下，可能會(huì)發(fā)生電子的非彈性隧穿，導(dǎo)致電阻增大。I-V特性還與磁性隧道結(jié)的溫度、磁場(chǎng)等外部條件有關(guān)。在不同溫度下，I-V曲線會(huì)發(fā)生變化，溫度升高可能會(huì)導(dǎo)致電阻增大，TMR值降低。施加外部磁場(chǎng)也會(huì)影響I-V特性，磁場(chǎng)可以改變磁性層的磁矩方向，從而改變磁性隧道結(jié)的電阻狀態(tài)。電阻、TMR值和電流-電壓（I-V）特性等電學(xué)性能特性在CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)中相互關(guān)聯(lián)。合適的電阻值有助于實(shí)現(xiàn)高效的電子輸運(yùn)，為T(mén)MR效應(yīng)的實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ)。高TMR值則使得磁性隧道結(jié)在磁矩狀態(tài)切換時(shí)電阻變化明顯，有利于在磁隨機(jī)存儲(chǔ)器等應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)和讀取。電流-電壓（I-V）特性反映了磁性隧道結(jié)在不同電壓下的電學(xué)行為，為其在電路中的應(yīng)用提供了重要依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮這些電學(xué)性能特性，通過(guò)優(yōu)化制備工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)磁性隧道結(jié)電學(xué)性能的最優(yōu)化，以滿足不同自旋電子學(xué)器件的應(yīng)用需求。5.3熱穩(wěn)定性和可靠性熱退火處理作為改善CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)性能的重要手段，對(duì)其熱穩(wěn)定性和可靠性有著深遠(yuǎn)影響。在自旋電子學(xué)器件的實(shí)際應(yīng)用中，熱穩(wěn)定性和可靠性是衡量器件性能優(yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)，直接關(guān)系到器件的使用壽命和工作穩(wěn)定性。熱退火處理能夠顯著影響磁性隧道結(jié)的結(jié)構(gòu)和性能。從結(jié)構(gòu)方面來(lái)看，適當(dāng)?shù)臒嵬嘶鹛幚砜梢源龠M(jìn)薄膜內(nèi)部原子的擴(kuò)散和重新排列，改善晶體結(jié)構(gòu)。在制備態(tài)下，CoFeB磁性層和MgO絕緣層可能存在晶格缺陷、位錯(cuò)等結(jié)構(gòu)缺陷，這些缺陷會(huì)影響電子的輸運(yùn)和磁性隧道結(jié)的性能。通過(guò)熱退火處理，原子獲得足夠的能量進(jìn)行遷移，晶格缺陷得以修復(fù)，晶體結(jié)構(gòu)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(zhì)量。在制備過(guò)程中，界面處可能存在粗糙度較大、晶格失配等問(wèn)題，導(dǎo)致界面質(zhì)量不佳。熱退火處理可以使界面處的原子發(fā)生擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，減小界面粗糙度，改善晶格匹配度，從而提高界面質(zhì)量。通過(guò)高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）觀察發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)熱退火處理后的CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)，其界面更加平整，原子排列更加有序。熱退火處理對(duì)磁性隧道結(jié)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(shù)。適當(dāng)?shù)臒嵬嘶鹛幚砜梢栽鰪?qiáng)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(jié)的穩(wěn)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(jié)在磁隨機(jī)存儲(chǔ)器等應(yīng)用中的性能。飽和磁化強(qiáng)度和矯頑力等磁性能參數(shù)也會(huì)受到熱退火處理的影響。合適的熱退火處理可以?xún)?yōu)化CoFeB磁性層的成分和結(jié)構(gòu)，從而提高飽和磁化強(qiáng)度。熱退火處理還可以消除薄膜內(nèi)部的應(yīng)力，減少磁疇壁釘扎點(diǎn)，降低矯頑力，使磁矩更容易翻轉(zhuǎn)，提高器件的讀寫(xiě)速度。從電學(xué)性能角度來(lái)看，熱退火處理對(duì)電阻和TMR值有著顯著影響。對(duì)于電阻，熱退火處理可以改變薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和界面質(zhì)量，從而影響電子的散射情況。當(dāng)界面質(zhì)量得到改善，電子散射減少，電阻降低。經(jīng)過(guò)熱退火處理后，CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)的電阻可能會(huì)降低數(shù)倍。熱退火處理對(duì)TMR值的影響更為關(guān)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(jié)構(gòu)以及界面質(zhì)量，使得電子的隧穿概率在磁矩平行和反平行狀態(tài)下的差異增大，從而提高了TMR值。研究表明，在適當(dāng)?shù)臒嵬嘶饻囟群蜁r(shí)間條件下，CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)的TMR值可以提高數(shù)倍，甚至達(dá)到更高的水平。熱穩(wěn)定性是衡量磁性隧道結(jié)在不同溫度環(huán)境下性能保持能力的重要指標(biāo)。在實(shí)際應(yīng)用中，磁性隧道結(jié)可能會(huì)面臨不同的溫度條件，如在電子設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致溫度升高。熱穩(wěn)定性好的磁性隧道結(jié)能夠在溫度變化時(shí)保持其磁性能和電學(xué)性能的穩(wěn)定，確保器件的正常工作。熱退火處理對(duì)磁性隧道結(jié)的熱穩(wěn)定性有著重要影響。經(jīng)過(guò)適當(dāng)熱退火處理的磁性隧道結(jié)，其熱穩(wěn)定性得到顯著提高。這是因?yàn)闊嵬嘶鹛幚砀纳屏吮∧さ木w結(jié)構(gòu)和界面質(zhì)量，增強(qiáng)了磁性層之間的磁矩耦合，使得磁性隧道結(jié)在溫度變化時(shí)能夠更好地抵抗熱擾動(dòng)，保持其性能的穩(wěn)定。通過(guò)在不同溫度下對(duì)熱退火處理前后的磁性隧道結(jié)進(jìn)行性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)熱退火處理的磁性隧道結(jié)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(shù)變化也較小，表明其熱穩(wěn)定性得到了有效提高?？煽啃允谴判运淼澜Y(jié)在長(zhǎng)期使用過(guò)程中保持性能穩(wěn)定的能力。在實(shí)際應(yīng)用中，磁性隧道結(jié)需要經(jīng)受多次讀寫(xiě)操作、溫度循環(huán)、電磁干擾等考驗(yàn)，其可靠性直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和壽命。熱退火處理對(duì)磁性隧道結(jié)的可靠性也有積極作用。通過(guò)改善薄膜的結(jié)構(gòu)和性能，熱退火處理可以減少磁性隧道結(jié)在使用過(guò)程中的性能退化。在多次讀寫(xiě)操作后，經(jīng)過(guò)熱退火處理的磁性隧道結(jié)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(qiáng)磁性隧道結(jié)對(duì)電磁干擾的抵抗能力，提高其在復(fù)雜電磁環(huán)境下的穩(wěn)定性。熱退火處理在改善CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)的結(jié)構(gòu)、磁性能和電學(xué)性能方面發(fā)揮著重要作用，進(jìn)而顯著提高了其熱穩(wěn)定性和可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中，合理選擇熱退火處理的溫度、時(shí)間和氣氛等參數(shù)，能夠優(yōu)化磁性隧道結(jié)的性能，使其更好地滿足磁隨機(jī)存儲(chǔ)器、磁傳感器等自旋電子學(xué)器件在不同工作環(huán)境下的需求，為自旋電子學(xué)器件的發(fā)展和應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。5.4自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)（STT）自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)（Spin-TransferTorque，STT）是指在鐵磁/非磁/鐵磁