详解TMR隧道磁电阻效应

本文由致真精密仪器综合

进入信息化时代以来，人们对于信息的读取和存储要求越来越严格。从最开始用真空管保存信息到现在U盘的大范围使用，人们对于信息的大容量，高质量储存越来越重视。而隧道磁电阻效应(TMR效应)正是促进信息储存变革的理论依据。

TMR效应

铁磁薄片的磁化方向可以在外磁场的控制下被独立的切换。如果极化方向平行，那么电子隧穿过绝缘层的可能性会更大，其宏观表现为电阻小；如果极化方向反平行，那么电子隧穿过绝缘层的可能性较小，其宏观表现是电阻极大。因此，这种结可以在两种电阻状态中切换，即高阻态和低阻态。TMR效应是一种与自旋极化输运过程相关的现象，其效应概述如图1所示。

想要清楚的理解TMR效应，就要对磁场、量子隧穿效应和不确定性原理等物理相关知识点有一定的了解。

图 TMR原件结构概述图

Part1 磁场

磁场，是指传递实物间磁力作用的场。磁场是电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间存在的一种特殊形态的物质。由于磁体的磁性来源于电流，电流是由电荷的运动产生的，因而概括地说，磁场是由运动电荷或电场的变化而产生的。用现代物理的观点来考察，物质中能够形成电荷的终极成分只有电子（带单位负电荷）和质子（带单位正电荷），因此负电荷就是带有过剩电子的点物体，正电荷就是带有过剩质子的点物体。运动电荷产生磁场的真正场源是运动电子或运动质子所产生的磁场，如图3所示。

Part2 量子隧穿效应

由微观粒子波动性所确定的量子效应，又称势垒贯穿。考虑粒子运动遇到一个高于粒子能量的势垒，按照经典力学，粒子是不可能越过势垒的；按照量子力学可以解出除了在势垒处的反射外，还有透过势垒的波函数，这表明在势垒的另一边，粒子具有一定的概率出现，即粒子贯穿势垒。理论计算表明，对于能量为几电子伏特的电子，方势垒的能量也是几电子伏特，当势垒宽度为1埃时，粒子的透射概率达零点几；而当势垒宽度为10埃时，粒子透射概率减小到10-10，已微乎其微。可见隧道效应是一种微观世界的量子效应，对于宏观现象，实际上不可能发生。

对于能量势垒，按经典力学的观点，粒子需先像爬山一样翻过山顶再到山脚，如果能量势垒比粒子本身的能量高，则粒子无法通过；按量子力学的观点，只要势垒的能量不是无穷高，即只要山不是无限高无限厚，粒子就有概率可以穿透这道势垒，就像是有一条直达的隧道一样。

图 宏观、微观粒子越过势垒示意图

粒子穿过势垒并出现在经典力学禁阻区域的过程。当一个电子通过由金属层/绝缘层/金属层构成的三明治薄膜，绝缘层就形成一个势垒很高的势阱。按经典力学概念，电子是不可能通过绝缘层的。电子具有“波”“粒”两重性，电子的运动可以用波函数表征。量子力学对这种情况的分析表明，电子能以一定的几率通过隧道效应而穿过势垒，逃出势阱。穿过势垒的几率是由波函数在势阱的两壁上必需连续这个条件决定的。当电子通过第一个金属/绝缘体的界面时，在绝缘体内波函数较快地衰减，如果绝缘层足够薄，即势垒薄，电子通过绝缘层到达第二个绝缘体/金属界面时波函数没有衰减到零，那么在第二个金属薄膜中发射电子的几率不是零，即电子穿越了势垒。

图 电子隧穿势垒波函数示意图

Part3 不确定性原理

初步看来，量子隧穿问题似乎是个佯谬，但是使用能量-时间不确定性原理可以合理解释这问题。假设粒子的原本能量为E，位势垒的位势为V，而E

其中，ΔE, Δt分别为能量与时间的不确定性，ћ是约化普朗克常数。

图 不确定性原理示意图

尽管在经典力学里，总能量不能改变，否则，会违背能量守恒定律。然而，在量子力学里，假若时间的不确定性为Δt，则能量的不确定性为ΔE≈ħ/2Δt。现在，假设粒子暂时借得能量ΔE，而且E+ΔE>V，则粒子就可以从区域 A移动到区域 C，但是为了不违背能量-时间不确定性原理，粒子必须在时间Δt≈ħ/2ΔE内，还回能量ΔE，并且粒子必须在时间Δt内从区域 A移动到区域 C，否则它仍旧不能从区域 A移动到区域 C。

注意到两点：假若位势垒过宽与过高，则粒子借得足够能量在时间限制内从区域 A移动到区域 C是很困难的事件，这事件的概率会变得非常低，大多数粒子都会被反射回去。

按照上述解释，由于粒子的能量变得大于位势垒的位势，粒子不是穿越过位势垒，而是跳跃过位势垒。

Part4 TMR效应的产生

磁性金属的3d以至4s电子能带会发生按自旋方向的交换劈裂，使正自旋子带和负自旋子带中电子数不等。费米面上正负自旋电子数不等将导致铁磁金属中传导电子流的自旋极化。

图 (a)非磁性半导体和(b)铁磁金属的态密度示意图

在磁性隧道结（由磁性层/绝缘层/磁性层组成的结构）中，中间绝缘层的作用是提供一个势垒并隔开铁磁层，这样铁磁层之间的导电就是一种隧穿效应。隧穿电流由两种自旋电子流组成。对于磁隧道结中的上下两层铁磁电极，当它们的矫顽力不同（或一种铁磁层被钉扎）时，其磁化方向会随着外加磁场的变化呈现出平行或反平行两种状态。磁性隧道结的结构和原理如图所示。

图 磁性隧道结的结构和原理示意图：(a)两磁性层的磁矩平行态,通常为低电阻态; (b)两磁性层磁矩反平行,通常为高电阻态

当两铁磁层的磁化方向平行时，一铁磁层中的多数自旋子带的电子将进人另一铁磁层的多数子带的空态，同时少数自旋子带的电子也从一个铁磁层进人另一个铁磁层少数子带的空态，此时隧穿几率大，总的隧穿电流较大；当两铁磁层的磁化方向反平行时，则一铁磁层中的多数自旋子带的电子自旋与另一个铁磁层的少数自旋子带的电子自旋平行，一铁磁层中的多数自旋子带的电子将进人另一铁磁层的少数子带的空态且少数自旋子带的电子也从一个铁磁层进人另一个铁磁层多数子带的空态，此时隧穿几率小，隧穿电流比较小。因此,隧穿电导随着两铁磁层磁化方向的改变而变化，磁化矢量平行时的电阻低于反平行时的电阻。通过施加外磁场可以改变两铁磁层的磁化方向，从而使得隧穿电阻发生变化，导致TMR效应的出现。

Part5 应用现状

上世纪90年代初,磁电阻型读出磁头在硬磁盘驱动器中的应用，大大促进了硬磁盘驱动器性能的提高，使其面记录密度达到了Gb/in2的量级。十几年来，磁电阻磁头已从当初的各向异性磁电阻磁头发展到GMR磁头和TMR磁头。

表1TMR磁头和GMR磁头性能比较

基于TMR效应制作的磁随机存储器(MRAM)芯片具有集成度高、非易失性、读写速度快、可重复读写次数大、抗辐射能力强、功耗低和寿命长等优点，它既可以做计算机的内存储器，也可以做外存储器。

表2TMR作为内存储器的优点

表3TMR作为外存储器的优点

与硬磁盘相比，它的优势是无运动部件，使用起来与Flash存储器一样方便。除此之外TMR材料还可以做成各种高灵敏度磁传感器，用于检测微弱磁场和对微弱磁场信号进行传感。由于此类传感器体积小、可靠性高、响应范围宽，在自动化技术、家用电器、商标识别、卫星定位、导航系统以及精密测量技术方面具有广阔的应用前景。

审核编辑：汤梓红