文 献 综 述
一.课题背景
磁性材料在当今科技中得到了广泛应用，对社会经济和国防建设的发展产生了巨大的影响。特别是近二十年发展起来的自旋电子学 (Spintronics) 一直受到人们极大的关注[1]。
自旋电子学是凝聚态物理中发展起来的新学科分支，它研究在固体中自旋自由度的有效控制和操纵，在金属和半导体中自旋极化、自旋动力学、自旋极化的运输和自旋电子检测。由于它在信息存储方面的重大应用前景、受到学术界和工业界的高度重视[2]。
自旋电子学又称为磁电子学，是一门结合磁学与微电子学的交叉学科。众所周知，电子具有电荷和自旋两种属性，基于电子的电荷性质人们发明了电动机和发电机。同时开创了半导体电子学，打开了当代通信和数据处理技术发展的大门，奠定了现代信息社会的基础。从研究电子的自旋属性出发，1988年人们发现了巨磁电阻效应（GMR），表明混乱取向的电子自旋，通过合适的磁性纳米结构材料后可以产生自旋极化，从而利用磁场可以控制电子自旋的输运性质，可以制备出新颖的磁电子器件。自旋电子器件比传统的电子器件具有诸多优点，如体积小、速度快、功耗小和信息不丢失等。目前研制的自旋电子器件主要基于铁磁金属，已研制成功的自旋电子器件包括巨磁电阻（GMR）、自旋伐（SV）和磁隧道结（MTJ）。主要应用于读出磁头、磁随机存储器（MRAM），磁传感器等，具有巨大的经济效益和应用前景[3]~[6]。
近年来，Ikeda等在面内磁各向异性CoFeB/MgO/CoFeB MTJ结构的基础上[7],[8]，利用CoFeB-MgO界面（包括CoFeB/MgO界面和MgO/CoFeB界面）Fe-3d和O-2p电子轨道杂化产生的界面垂直磁各向异性发展出垂直磁各向异性 MTJ（p-MTJ），具有大的隧穿磁电阻效应（Tunneling magnetoresistance: TMR）和自旋转移矩效应（Spin tranfer torque），意味着当通过MgO绝缘势垒的自旋极化电流超过阈值时，能够产生自旋矩诱导的磁化翻转，从而提供了新的数据写入方式，可用于高密度磁存储和逻辑器件。
半金属铁磁材料具有两个独特的自旋子能带，一个跨过费米面的子能带，呈现金属性，另一个在费米面存在一个带隙的子能带，表现出半导体性质，从而造成费米面100%的自旋极化。这种性质被广泛认为可以应用于磁隧道结、自旋阀、磁随机存储器的自旋依赖设备中。
自从de-Groot小组[9],[10]首次预测半Heusler合金NiMnSb具有半金属性以来，许多半Heusler和Heusler合金被证实具有这种特殊性质，其中Co基Heusler合金有较强的磁性强度和高的居里温度而被重点关注，将这些Co基Heusler合金应用于磁隧道结中作为电极，可观察到非常巨大的低温隧道磁电阻（TMR）效应，展示了非常好的发展前景。
Co基Heusler合金磁隧道结核心部件是主要由两层铁磁层(Co基Heusler合金薄膜）和中间隧道层(即势垒层)构成的“三明治”结构，一般外层铁磁层由软磁材料构成，其自旋方向容易受到外磁场的极化而发生反转，而内层铁磁层要求自旋方向固定。中间的隧道层主要是绝缘体和半导体薄膜，用于产生铁磁层之间的量子隧道效应。在磁隧道结器件的实际应用中，首先在特定的基底上生长铁磁层薄膜，基底与铁磁层之间往往要加人缓冲层以保证良好的力学和电磁性能；而在外层覆盖一层保护膜，可以阻断外层电极的氧化，并起到保护电极头免受损伤的作用。
在一定的偏压下，当外层铁磁层受到外磁场作用时，如果其自旋方向与内层铁磁层自旋方向一致，那么一个铁磁层的自旋向上和自旋向下的电子会分别穿过中间的绝缘层，填充到对应的最小、最大自旋带的空带上。此时导电的电子受到小的散射，传输电流较大，隧道电阻较小。反之，外层铁磁层在外磁场作用下自旋反转，自旋方向与内层铁磁层自旋方向相反时，一个铁磁层的自旋向上和自旋向下的电子分别穿过中间的绝缘层，填充到已经自旋反转的自旋向上带（最小自旋子能带）和自旋向下带（最大自旋子能带）的空带上。这样的电子输运，对于自旋向上电子来说，输运源较少；而对于自旋向下电子而言，目标铁磁层空带不能容纳较多的电子，这两个因素都使得隧道层输运电子受到较大的散射。此时传输电流非常小，隧道磁电阻较大。磁隧道结中自旋平行和反转的两种状态，分别对应着电路中大阻抗和小阻抗状态，从而可记录为“1”和“0”两种逻辑电路信号。因此，隧道结被广泛应用于磁头、磁传感器、磁记录设备中[11]。
