在磁隧道結(jié)（MTJ s）中，TMR效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理是自旋相關(guān)的隧穿效應(yīng) 。MTJ s的一般結(jié)構(gòu)為鐵磁層 /非磁絕緣層 / 鐵磁層( FM / I/FM)的三明治結(jié)構(gòu)。飽和磁化時(shí)，兩鐵磁層的磁化方向互相平行，而通常兩鐵磁層的矯頑力不同，因此反向磁化時(shí)，矯頑力小的鐵磁層磁化矢量首先翻轉(zhuǎn)，使得兩鐵磁層的磁化方向變成反平行。電子從一個(gè)磁性層隧穿到另一個(gè)磁性層的隧穿幾率與兩磁性層的磁化方向有關(guān)。

如圖1所示,若兩層磁化方向互相平行，則在一個(gè)磁性層中，多數(shù)自旋子帶的電子將進(jìn)入另一磁性層中多數(shù)自旋子帶的空態(tài)，少數(shù)自旋子帶的電子也將進(jìn)入另一磁性層中少數(shù)自旋子帶的空態(tài)，總的隧穿電流較大；若兩磁性層的磁化方向反平行，情況則剛好相反，即在一個(gè)磁性層中，多數(shù)自旋子帶的電子將進(jìn)入另一磁性層中少數(shù)自旋子帶的空態(tài),而少數(shù)自旋子帶的電子也將進(jìn)入另一磁性層中多數(shù)自旋子帶的空態(tài),這種狀態(tài)的隧穿電流比較小。因此,隧穿電導(dǎo)隨著兩鐵磁層磁化方向的改變而變化，磁化矢量平行時(shí)的電導(dǎo)高于反平行時(shí)的電導(dǎo)。通過施加外磁場可以改變兩鐵磁層的磁化方向，從而使得隧穿電阻發(fā)生變化，導(dǎo)致TMR效應(yīng)的出現(xiàn)。 2100433B

早在1975年,Julliere就在Co/Ge/Fe磁性隧道結(jié)(MagneticTunnelJunctions，MTJs)（注：MTJs的一般結(jié)構(gòu)為鐵磁層/非磁絕緣層/鐵磁層(FM/I/FM)的三明治結(jié)構(gòu)）中觀察到了TMR效應(yīng)。但是，這一發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)并沒有引起人們的重視。在這之后的十幾年內(nèi)，TMR效應(yīng)的研究進(jìn)展十分緩慢（注：TMR效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理是自旋相關(guān)的隧穿效應(yīng)。）

1988年,巴西學(xué)者Baibich在法國巴黎大學(xué)物理系Fert教授領(lǐng)導(dǎo)的科研組中工作時(shí)，首先在Fe/Cr多層膜中發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻(GMR)效應(yīng)。TMR效應(yīng)和GMR效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了凝聚態(tài)物理學(xué)中新的學(xué)科分支——磁電子學(xué)的產(chǎn)生。20年來，GMR效應(yīng)的研究發(fā)展非常迅速，并且基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究幾乎齊頭并進(jìn)，已成為基礎(chǔ)研究快速轉(zhuǎn)化為商業(yè)應(yīng)用的國際典范。

隨著GMR效應(yīng)研究的深入，TMR效應(yīng)開始引起人們的重視。盡管金屬多層膜可以產(chǎn)生很高的GMR值，但強(qiáng)的反鐵磁耦合效應(yīng)導(dǎo)致飽和場很高，磁場靈敏度很小，從而限制了GMR效應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用。MTJs中兩鐵磁層間不存在或基本不存在層間耦合，只需要一個(gè)很小的外磁場即可將其中一個(gè)鐵磁層的磁化方向反向，從而實(shí)現(xiàn)隧穿電阻的巨大變化，故MTJs較金屬多層膜具有高得多的磁場靈敏度。同時(shí)，MTJs這種結(jié)構(gòu)本身電阻率很高、能耗小、性能穩(wěn)定。因此，MTJs無論是作為讀出磁頭、各類傳感器，還是作為磁隨機(jī)存儲器(MRAM)，都具有無與倫比的優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用前景十分看好，引起世界各研究小組的高度重視。

通常，氧化鎂磁隧道結(jié)的TMR值隨著退火溫度的升高而增大，這與退火引起的磁隧道結(jié)微結(jié)構(gòu)的變化密切關(guān)。用磁控濺射法制備的CoFeB/MgO/CoFeB磁隧道結(jié)，在外磁場中340℃真空退火1h，采用高分辨透射電鏡對制備態(tài)和退火態(tài)的樣品結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，發(fā)現(xiàn)CoFeB底電極在制備態(tài)下是非晶態(tài)，退火后發(fā)生晶化，勢壘層與電極層間的界面在退火后變得尖銳和光滑。采用X射線光電子能譜深度分析，對退火前后CoFeB/MgO界面處的成分變化進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，制備態(tài)時(shí)界面處形成了鐵的氧化物，退火后鐵的氧化物對應(yīng)的峰不存在。退火使得B元素?cái)U(kuò)散到Mg0勢壘中，B與O形成了B的氧化物，從而使得Fe的氧化物減少。沉積態(tài)下MgO/CoFeB界面處沒有形成Fe的氧化物，而只存在B的氧化物。退火使得B的氧化物增多。由于較為潔凈的界面和界面處Fe的氧化物的減少，CoFeB底電極極化率增大，這是CoFeB/MgO/CoFeB具有高TMR值的原因。另外一個(gè)可能的原因是結(jié)晶取向的MgO勢壘層以及CoFeB/MgO之間平滑尖銳的界面。