本文由致真精密儀器綜合

進入信息化時代以來，人們對于信息的讀取和存儲要求越來越嚴格。從最開始用真空管保存信息到現在U盤的大范圍使用，人們對于信息的大容量，高質量儲存越來越重視。而隧道磁電阻效應(TMR效應)正是促進信息儲存變革的理論依據。

TMR效應

鐵磁薄片的磁化方向可以在外磁場的控制下被獨立的切換。如果極化方向平行，那么電子隧穿過絕緣層的可能性會更大，其宏觀表現為電阻小；如果極化方向反平行，那么電子隧穿過絕緣層的可能性較小，其宏觀表現是電阻極大。因此，這種結可以在兩種電阻狀態中切換，即高阻態和低阻態。TMR效應是一種與自旋極化輸運過程相關的現象，其效應概述如圖1所示。

想要清楚的理解TMR效應，就要對磁場、量子隧穿效應和不確定性原理等物理相關知識點有一定的了解。

圖 TMR原件結構概述圖

Part1 磁場

磁場，是指傳遞實物間磁力作用的場。磁場是電流、運動電荷、磁體或變化電場周圍空間存在的一種特殊形態的物質。由于磁體的磁性來源于電流，電流是由電荷的運動產生的，因而概括地說，磁場是由運動電荷或電場的變化而產生的。用現代物理的觀點來考察，物質中能夠形成電荷的終極成分只有電子（帶單位負電荷）和質子（帶單位正電荷），因此負電荷就是帶有過剩電子的點物體，正電荷就是帶有過剩質子的點物體。運動電荷產生磁場的真正場源是運動電子或運動質子所產生的磁場，如圖3所示。

Part2 量子隧穿效應

由微觀粒子波動性所確定的量子效應，又稱勢壘貫穿。考慮粒子運動遇到一個高于粒子能量的勢壘，按照經典力學，粒子是不可能越過勢壘的；按照量子力學可以解出除了在勢壘處的反射外，還有透過勢壘的波函數，這表明在勢壘的另一邊，粒子具有一定的概率出現，即粒子貫穿勢壘。理論計算表明，對于能量為幾電子伏特的電子，方勢壘的能量也是幾電子伏特，當勢壘寬度為1埃時，粒子的透射概率達零點幾；而當勢壘寬度為10埃時，粒子透射概率減小到10-10，已微乎其微。可見隧道效應是一種微觀世界的量子效應，對于宏觀現象，實際上不可能發生。

對于能量勢壘，按經典力學的觀點，粒子需先像爬山一樣翻過山頂再到山腳，如果能量勢壘比粒子本身的能量高，則粒子無法通過；按量子力學的觀點，只要勢壘的能量不是無窮高，即只要山不是無限高無限厚，粒子就有概率可以穿透這道勢壘，就像是有一條直達的隧道一樣。

圖 宏觀、微觀粒子越過勢壘示意圖

粒子穿過勢壘并出現在經典力學禁阻區域的過程。當一個電子通過由金屬層/絕緣層/金屬層構成的三明治薄膜，絕緣層就形成一個勢壘很高的勢阱。按經典力學概念，電子是不可能通過絕緣層的。電子具有“波”“粒”兩重性，電子的運動可以用波函數表征。量子力學對這種情況的分析表明，電子能以一定的幾率通過隧道效應而穿過勢壘，逃出勢阱。穿過勢壘的幾率是由波函數在勢阱的兩壁上必需連續這個條件決定的。當電子通過第一個金屬/絕緣體的界面時，在絕緣體內波函數較快地衰減，如果絕緣層足夠薄，即勢壘薄，電子通過絕緣層到達第二個絕緣體/金屬界面時波函數沒有衰減到零，那么在第二個金屬薄膜中發射電子的幾率不是零，即電子穿越了勢壘。

圖 電子隧穿勢壘波函數示意圖

Part3 不確定性原理

初步看來，量子隧穿問題似乎是個佯謬，但是使用能量-時間不確定性原理可以合理解釋這問題。假設粒子的原本能量為E，位勢壘的位勢為V，而E

其中，ΔE, Δt分別為能量與時間的不確定性，?是約化普朗克常數。

圖 不確定性原理示意圖

盡管在經典力學里，總能量不能改變，否則，會違背能量守恒定律。然而，在量子力學里，假若時間的不確定性為Δt，則能量的不確定性為ΔE≈?/2Δt。現在，假設粒子暫時借得能量ΔE，而且E+ΔE>V，則粒子就可以從區域 A移動到區域 C，但是為了不違背能量-時間不確定性原理，粒子必須在時間Δt≈?/2ΔE內，還回能量ΔE，并且粒子必須在時間Δt內從區域 A移動到區域 C，否則它仍舊不能從區域 A移動到區域 C。

注意到兩點：假若位勢壘過寬與過高，則粒子借得足夠能量在時間限制內從區域 A移動到區域 C是很困難的事件，這事件的概率會變得非常低，大多數粒子都會被反射回去。

按照上述解釋，由于粒子的能量變得大于位勢壘的位勢，粒子不是穿越過位勢壘，而是跳躍過位勢壘。

Part4 TMR效應的產生

磁性金屬的3d以至4s電子能帶會發生按自旋方向的交換劈裂，使正自旋子帶和負自旋子帶中電子數不等。費米面上正負自旋電子數不等將導致鐵磁金屬中傳導電子流的自旋極化。

圖 (a)非磁性半導體和(b)鐵磁金屬的態密度示意圖

在磁性隧道結（由磁性層/絕緣層/磁性層組成的結構）中，中間絕緣層的作用是提供一個勢壘并隔開鐵磁層，這樣鐵磁層之間的導電就是一種隧穿效應。隧穿電流由兩種自旋電子流組成。對于磁隧道結中的上下兩層鐵磁電極，當它們的矯頑力不同（或一種鐵磁層被釘扎）時，其磁化方向會隨著外加磁場的變化呈現出平行或反平行兩種狀態。磁性隧道結的結構和原理如圖所示。

圖 磁性隧道結的結構和原理示意圖：(a)兩磁性層的磁矩平行態,通常為低電阻態; (b)兩磁性層磁矩反平行,通常為高電阻態

當兩鐵磁層的磁化方向平行時，一鐵磁層中的多數自旋子帶的電子將進人另一鐵磁層的多數子帶的空態，同時少數自旋子帶的電子也從一個鐵磁層進人另一個鐵磁層少數子帶的空態，此時隧穿幾率大，總的隧穿電流較大；當兩鐵磁層的磁化方向反平行時，則一鐵磁層中的多數自旋子帶的電子自旋與另一個鐵磁層的少數自旋子帶的電子自旋平行，一鐵磁層中的多數自旋子帶的電子將進人另一鐵磁層的少數子帶的空態且少數自旋子帶的電子也從一個鐵磁層進人另一個鐵磁層多數子帶的空態，此時隧穿幾率小，隧穿電流比較小。因此,隧穿電導隨著兩鐵磁層磁化方向的改變而變化，磁化矢量平行時的電阻低于反平行時的電阻。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生變化，導致TMR效應的出現。

Part5 應用現狀

上世紀90年代初,磁電阻型讀出磁頭在硬磁盤驅動器中的應用，大大促進了硬磁盤驅動器性能的提高，使其面記錄密度達到了Gb/in2的量級。十幾年來，磁電阻磁頭已從當初的各向異性磁電阻磁頭發展到GMR磁頭和TMR磁頭。

表1TMR磁頭和GMR磁頭性能比較

基于TMR效應制作的磁隨機存儲器(MRAM)芯片具有集成度高、非易失性、讀寫速度快、可重復讀寫次數大、抗輻射能力強、功耗低和壽命長等優點，它既可以做計算機的內存儲器，也可以做外存儲器。

表2TMR作為內存儲器的優點

表3TMR作為外存儲器的優點

與硬磁盤相比，它的優勢是無運動部件，使用起來與Flash存儲器一樣方便。除此之外TMR材料還可以做成各種高靈敏度磁傳感器，用于檢測微弱磁場和對微弱磁場信號進行傳感。由于此類傳感器體積小、可靠性高、響應范圍寬，在自動化技術、家用電器、商標識別、衛星定位、導航系統以及精密測量技術方面具有廣闊的應用前景。

審核編輯：湯梓紅