自旋电子材料、物理与器件研制

自旋电子材料、物理与器件研制 项目名称: 自旋电子材料、物理与器件研制 首席科学家: 詹文山 中国科学院物理研究所 起止年限: 2004年6月 至 2006年8月 依托部门: 中国科学院 一、研究内容和课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 设置 1.项目 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 任务书原定内容 1. 磁性隧道结材料、物理及MRAM原型器件研制 【A】纳米多层结构中的自旋极化电子输运过程～包括磁电阻材料(以TMR材料为 主)中的自旋相关散射机理和规律～尺寸和界面效应对极化电子的输运行 为的影响机制,极端条件下～磁隧道结的低温隧道谱和自旋弛豫过程,磁 化和反磁化过程中磁结构的变化对磁电阻影响～磁电阻增强的机制和技术 手段的探索,磁畴散射对输运行为的影响过程～磁噪声的来源克服方法。 【B】磁性多层结构中自旋转移效应～包括传导电流对纳米磁性单元的磁结构的 作用,对自旋转移效应(包括磁矩的反转和自旋波的激发)的有效控制. 【C】反铁磁结构材料的钉扎效应～包括铁磁,反铁磁体系中铁磁,反铁磁磁畴 分布、界面自旋分布以及交换各向异性的形成机制,“铁磁,反铁磁”微 小单元磁化反转过程的二维尺寸效应及边缘畴对此的影响,微米、亚微米 尺度规则排列“铁磁,反铁磁”单元的磁化反转过程以及相互之间的影 响,优化PtMn 、IrMn等反铁磁材料为钉扎层的铁磁/反铁磁制备工艺～实 现隧道结材料的偏置场大于200 Oe,观察各类界面缺陷的产生及其与交换 偏置的关系～控制界面原子的扩散～提高热稳定性。 【D】制备具有人工反铁磁结构如Co/Cu/Co 或Co/Ru/Co的MTJ～及优化人工反 铁磁结构和相关MTJ的工艺～研究人工反铁磁系统的畴结构、微结构和界 面缺陷等对钉扎效应的影响,铁磁,反铁磁体系和人工反铁磁系统的偏置 交换作用对隧道结材料的磁电阻行为的影响, 【E】微米和亚微米磁性隧道结(MTJ)的研究。用细聚焦粒子束刻蚀机 (FIB) 研 352制微米和亚微米磁性隧道结:结电阻10~10 ,〃,m～磁电阻比达 10-40%。 【F】隧道结绝缘层材料及相应工艺过程研究～解决MTJ中电阻均匀性的问题。 【G】研制与CMOS工艺匹配的MTJ工艺～通过微电子学技术～将性能优越的隧道 结(TMR)应用功能材料～集成在半导体基片上形成MRAM单元阵列～利用我 们制备的具有自主知识产权的优质磁隧道结材料～ 通过与国内外协作 或 委托加工的方式～进一步研究综合提高CMOS电路和MRAM记忆单元集成密 度的可行性, 为高密度的MRAM的大规模集成工艺提供关键技术。 2. 自旋阀及相关自旋电子材料的机制及应用研究 【A】深入研究交换偏置耦合的机制。这是一个基本物理问题。目前人们提出的 随机场模型,random field,、界面畴壁模型,interfacial domain wall, 及自旋跳转垂直界面耦合模型(spin-flop perpendicular interfacial coupling)都还未能很好地诠释交换耦合偏置这一基本问题。我们将用数 值计算、界面结构及磁性表征等手段进一步深入研究该问题～试图完全弄 清楚其耦合机制。 【B】探索偏置耦合场高、高T,耦合偏置场降低到零的温度,的温度稳定性好B 的FM/AFM双层膜系统～以期应用于隧道结和自旋阀结构中～进一步增强其 性能的稳定性, 【C】研究合成交换偏置(synthetic exchange bias)自旋阀～并寻求除Ru之外 的其他材料以增强层间耦合～进而增强交换偏置场。将传统的耦合偏置型 自旋阀的钉扎层用具有很强层间耦合的三层膜代替,例如用Co/Ru/Co取代 Co层,～由于上下两层磁矩大小相等、方向相反～因此总磁矩基本抵消～ 大大削弱了钉扎层与自由层之间的静磁耦合作用～从而可以减小开关场、 提高灵敏度。该效应在小型器件中表现尤为突出。 【D】研究镜面反射(specular reflection)增强磁电阻自旋阀。在传统自旋阀三 层膜的一侧或两侧加上一层较薄,，5 nm,的氧化层(例如:NiO)～由于存 在镜面反射效应～电子将被重新反射回自旋阀结构中参与输运～这等效为 电子的平均自由层增加～从而可以增大巨磁电阻比值, 【E】新型高磁电阻比值、高灵敏度自旋阀的探索～主要包括探索高自旋相关散 射不对称因子、窄非磁层厚度及低层间耦合的实用型自旋阀材料, 【F】用聚焦粒子束刻蚀仪(FIB)制备小尺寸自旋阀～研究微米及亚微米高性能自 旋阀材料的性能, 【G】探索性研究自旋转移(spin transfer)这一新现象～即用电流直接使磁矩转 动、反转或激发自旋波。此效应可应用于MRAM中读、写线电流的传感。 3. 自旋电子注入的材料结构、过程和控制 首先要弄清界面对注入自旋的散射作用和规律,其次要了解“注入自旋”在传输过程中与杂质、缺陷的耦合作用以及自旋弛豫过程,最终要解决“注入自旋”在异质结构中进行传输和输出的控制。 【A】研究铁磁/金属、铁磁/半导体等界面点阵失配、界面原子,特别是磁性原 子,分布的涨落等对注入自旋的散射作用和规律, 【B】研究自旋阀/半导体、磁隧道/半导体等界面点阵失配、界面原子,特别是 磁性原子,分布的涨落、功函数等对注入自旋的散射作用和规律, 【C】研究已注入自旋的自旋积累、自旋耗尽层,depletion layer,的形成～以 及在传输时与杂质,缺陷,之间的自旋-自旋、自旋-轨道,矩,的耦合作 用, 【D】研究这类耦合作用对自旋弛豫过程的影响～以及导致信息的衰变的规律, 【E】研究外加磁场、电场下注入自旋的传输动力学过程以及对注入自旋传输行 为的控制机理。 【F】探讨自旋逻辑运行的原理～试制1-2种原型逻辑器件。 4. 高自旋极化率自旋电子材料 【A】探索具有高自旋极化率的自旋电子学材料。揭示这类与CrO类似的接近2 100%的自旋极化率的本质。研究不同制备条件、微结构等对磁结构和自旋 极化的影响及其之间的相互关联。 【B】研究自旋极化、界面态和微观结构、异质结中的层间耦合、以及电磁各向 异性等对磁电阻效应、自旋隧穿效应的影响。 【C】高品质氧化物材料及相关体系的外延薄膜及异质结构的制备。研究不同制 备条件、微结构等对磁结构和电磁性能的影响及其之间的相互关联～并进 而制备高品质自旋电子材料及相关体系的外延薄膜异质结。 5(自旋电子材料的显微结构表征科学 围绕本项目的中心目标～以微结构表征为手段～重点解决金属磁性多层膜在界面和表面原子排列和自旋排列的完整性对磁电阻、结电阻、驱动磁场和温度与化学稳定性的影响～并与其它各课题相互配合～共同解决自旋电子材料的高磁电阻比率～低的结电阻～低驱动磁场和高的温度和化学稳定性等在磁随机存储器(MRAM)研制中所遇到的四个关键问题。 【A】界面原子微结构表征:利用高分辨透射电子显微镜,HRTEM,研究磁隧道结 ,MTJ,截面,Cross section,的原子排列和元素分布,观察结区穿孔、 原子排列失配、原子互扩散等缺陷,建立缺陷产生与工艺性能的关系。 【B】以磁隧道结,MTJ,和铁磁/反铁磁为单元～制成周期多层膜。利用同步辐 射源X射线漫反射方法～研究界面粗糙度、原子排列失配、近邻原子排列 畸变、扩散等缺陷对磁输运性质的影响。 【C】界面自旋排列微结构表征:利用同步辐射源上的磁圆二色谱(MXCD/MLD), 重点研究MRAM要的磁隧道结,MTJ,钉扎区,研究钉扎区铁磁/反铁磁界面 的自旋排列和原子近邻排列,建立自旋排列与工艺、性能的关系。 【D】利用有自旋极化STM和磁力显微镜～观测MRAM原型器件或磁隧道结阵列中 分立图形或图形链的自旋结构。 【E】利用中子衍射研究界面磁结构。 【F】通过同位素增丰工艺～在界面加入增丰的共振核同位素～利用穆斯堡尔谱 测量表面原子核位的超精细参数。研究表面原子磁矩、自旋排列、交换作 用以及磁晶各向异性。从微观尺度研究界面的自旋排列及其对磁输运的影 响。 ,具体说明每个课题的主要研究内容、目标、承担单位、课题负责人及主要学术骨干、经费比例等, 本项目下设五个课题 课题1:磁性隧道结材料、物理及MRAM器件研制 内容: 【A】纳米多层结构中的自旋极化电子输运过程。 【B】磁性多层结构中自旋转移效应。 【C】反铁磁结构材料的钉扎效应。控制界面原子的扩散～提高热稳定性。 【D】制备具有人工反铁磁结构及优化人工反铁磁结构和相关MTJ的工艺～研究 人工反铁磁系统的畴结构、微结构和界面缺陷等对钉扎效应的影响。 【E】微米和亚微米磁性隧道结(MTJ)的研究。用细聚焦粒子束刻蚀机 (FIB) 研 3~52制微米和亚微米磁性隧道结:结电阻10,10 ,〃,m～磁电阻比达10-40%。 【F】隧道结绝缘层材料及相应工艺过程研究～解决MTJ中电阻均匀性的问题。 【G】研制与CMOS工艺匹配的MTJ工艺～利用我们制备的具有自主知识产权的优质磁隧道结材料～ 通过与国内外协作或委托加工的方式～进一步研究综合提高CMOS电路和MRAM记忆单元集成密度的可行性, 为高密度的MRAM的大规模集成工艺提供关键技术。 目标: 阐明以TMR为主的磁电阻材料的输运过程、自旋转移效应以及反铁磁结构材料钉扎效应等基本物理问题～为优化TMR实用材料指明方向和道路,为MRAM 2提供性能合格的MTJ材料。获得TMR?30,,结电阻?200 kΩμm,偏置场?200 Oe,反转场<30 Oe,势垒高度约为2 eV,温度稳定性好于200?,记忆单 22元-结尺寸约1.5×1.5,m～相当于 256Mb/in,在首先制成16X16 MRAM原型器件的基础上～利用我们制备的具有自主知识产权的优质磁隧道结材料～通过与国内外协作 或委托加工的方式 制备更高集成度MRAM原形器件, 为MRAM的大规模集成工艺提供关键技术。 承担单位:中国科学院物理研究所 课题负责人:韩秀峰研究员(百人计划) 主要学术骨干:赵宏武副研究员～蔡建旺研究员,百人计划,～朱 涛副研究 员～刘伍明研究员～赖武彦研究员～夏 洋研究员～刘新宇副研 究员 侯瑞兵 高级工程师 经费比例:45, 课题2:自旋阀及相关自旋电子材料的机制及应用研究 内容: 【A】 深入研究交换偏置耦合的机制。 【B】 探索偏置耦合场高、高T,耦合偏置场降低到零的温度,的温度稳定性B 好的FM/AFM双层膜系统～进一步增强性能的稳定性, 【C】 研究合成交换偏置(synthetic exchange bias)自旋阀. 【D】 研究镜面反射(specular reflection)增强磁电阻自旋阀～从而可以增大 巨磁电阻比值, 【E】探索新型高磁电阻比值、高灵敏度自旋阀材料, 【F】用聚焦粒子束刻蚀仪(FIB)制备小尺寸自旋阀～研究微米及亚微米高性能自 旋阀材料的性能, 目标: 深入研究铁磁/反铁磁界面交换耦合偏置的机制,发展交换偏置场高、高T,耦合偏置场降低到零的温度,以及高温度化学稳定的FM/AFM双层膜系统,B 制备出高磁电阻比值(GMR，10,)、低开关场,H,5，10 Oe,、高灵敏度S ,>1%/Oe,、高偏置场(H，300 Oe)、温度稳定性好,工作温度>230:C,的自旋E 阀材料,用制备出的优质自旋阀材料做出特殊传感器。 承担单位:南京大学 课题负责人:胡安教授 主要学术骨干:李正中教授、杜军副教授～桑海教授、鹿牧教授、金国钧教 授、吴小山教授、许望教授 肖明文副教授 顾民教授 经费比例: 17.5% 课题3:自旋电子注入的材料结构、过程和控制 研究内容: 【A】 研究铁磁金属/半导体、钙钛矿锰氧化物/高Tc超导薄膜异质结界面电导 率失配、晶格失配、界面磁性原子分布涨落对注入自旋的散射作用和规 律。然后～在此基础上～进行物理分析～提出新的更合理、科学的异质 结构～以减弱,或解决,因电导率失配～磁性原子涨落引起的对注入自旋 的散射～造成自旋倾斜～极化率下降～提高在异质结构上自旋注入效 率。 【B】 构架半金属型铁磁氧化物/宽禁带半导体异质结～研究结界面处电导和晶 格失配程度～以及原子涨落情况～分析失配程度、涨落大小对自旋注入 的影响和规律。测定有效自旋注入率、自旋在宽禁带半导体中扩散长度 ,或弛豫时间,～并研究自旋在宽禁带半导体中的输运特性。 【C】 构架金属/自旋过滤/半导体型异质结构～研究金属/自旋过滤结构的工作 特征～过滤规律和影响自旋过滤效率的主要物理因素,测定有效自旋注 入率、自旋在半导体中扩散长度,或弛豫时间,～并研究自旋在宽禁带半 导体中的输运特性。 【D】 开展自旋注入高Tc超导薄膜弱连接结的研究～包括适当选择高Tc超导薄 膜弱连接结、自旋注入对结超流的影响、CMR薄膜的输运特性和弱连接结 的相关参数与电流增益的关联。 目标: 弄清影响自旋注入NdSrMnO(NSMO)/Au/ YBaCuO (YBCO)或0.70.33237 NSMO/LAO/YBCO等异质结的物理因素～掌握其物理规律,了解自旋在半导体、高Tc 超导薄膜中传输的特点和规律～寻找出提高自旋注入效率和延长自旋在半导体、高Tc 超导薄膜中扩散长度的方法和技术途径。获得一种具有良好自旋注入效应的结构,争取制成自旋注入原型器件～并申请发明专利～提出若干更新更有效的自旋注入异质结新构型。 主要承担单位:山东大学 课题负责人:颜世申教授 主要学术骨干:张世远～杨森祖～萧淑琴～章亚明～唐 涛～陈延学 经费比例: 12。5% 课题4:高自旋极化率自旋电子材料 研究内容 【A】探索具有高自旋极化率的自旋电子学材料。揭示与CrO类似的接近100%2 的自旋极化率的本质。研究不同制备条件、微结构等对磁结构和自旋极化 的影响及其之间的相互关联。 【B】研究自旋极化、界面态和微观结构、异质结中的层间耦合、以及电磁各向 异性等对磁电阻效应、自旋隧穿效应的影响。 【C】高品质氧化物材料及相关体系的外延薄膜及异质结构的制备。研究不同制 备条件、微结构等对磁结构和电磁性能的影响及其之间的相互关联～并进 而制备高品质自旋电子材料及相关体系的外延薄膜异质结。 目标: 研究新的Mn基氧化物薄膜材料的电/磁相分离、电荷有序和轨道有序等基本物理问题。探索新型Co基氧化物、CrO, 和 FeO等高自旋极化自旋电子材234 料,阐明超大磁电阻效应的物理机制～在此基础上～获得一到二种具有实际应用价值的新型自旋电子材料。解决并优化全氧化物自旋阀、隧道结的制备工艺～阐明这类新型人工结构所涉及的一些基本物理问题例如自旋电子输运、自旋相关散射以及自旋转移效应等的规律。 主要承担单位:中国科技大学、中国科学院固体研究所、中国科学院物理研究 所 课题负责人:吴文彬教授 主要学术骨干:孙玉平研究员～郭慧群研究员～谭舜副教授～李广副教授～董小莉副研究员 经费比例: 10。0% 课题5:自旋电子材料的显微结构表征科学 研究内容 【A】研究磁性隧道结界面原子微结构与磁电阻的关系。 【B】研究界面粗糙度、原子排列失配、近邻原子排列畸变、扩散等缺陷对磁输 运性质的影响。 【C】研究界面自旋排列微结构～建立自旋排列与工艺、性能的关系。 【D】利用有自旋极化STM和磁力显微镜～观测MRAM原型器件或磁隧道结阵列中 分立图形或图形链的自旋结构。 【E】利用中子衍射研究界面磁结构。 【F】通过同位素增丰工艺～在界面加入增丰的共振核同位素～利用穆斯堡尔谱 测量表面原子核位的超精细参数。研究表面原子磁矩、自旋排列、交换作 用以及磁晶各向异性。从微观尺度研究界面的自旋排列及其对磁输运的影 响。 目标: 建立与完善自旋电子材料界面原子排列和自旋排列表征方法～解决界面原子排列和自旋排列完整性与磁电阻～低驱动磁场和高的化学稳定性关系。研究表面、界面的结构,原子排列和扩散,对磁输运的影响,以及自旋排列及磁畴结构,探讨并掌握新型高自旋极化率材料的微观结构、磁结构相变、自旋排列与极化和磁输运的关系。 主要承担单位:中国科学院物理研究所 课题负责人:成昭华研究员,百人计划、国家杰出青年基金获得者, 主要学术骨干:邸乃力副研究员～严启伟研究员～鲁毅副教授 经费比例: 15。0%(含项目执行人用于项目集中管理的费用) 2.后三年调整 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 为实现预期目标～在研究内容上的调整方案为: 1. 磁性隧道结材料、物理及MRAM原型器件研制 【A】纳米多层结构中的自旋极化电子输运过程～包括磁电阻材料(以TMR材料 为主)中的自旋相关散射机理和规律～尺寸和界面效应对极化电子的输运 行为的影响机制,极端条件下～磁隧道结的低温隧道谱和自旋弛豫过程, 磁化和反磁化过程中磁结构的变化对磁电阻影响～磁电阻增强的机制和技 术手段的探索,磁畴散射对输运行为的影响过程～磁噪声的来源克服方 法。 【B】磁性多层结构中自旋转移效应～包括传导电流对纳米磁性单元的磁结构的 作用,对自旋转移效应(包括磁矩的反转和自旋波的激发)的有效控制. 【C】制备具有人工反铁磁结构如Co/Cu/Co 或Co/Ru/Co的MTJ～及优化人工 反铁磁结构和相关MTJ的工艺～研究人工反铁磁系统的畴结构、微结构和 界面缺陷等对钉扎效应的影响,铁磁,反铁磁体系和人工反铁磁系统的偏 置交换作用对隧道结材料的磁电阻行为的影响, 【D】微米和亚微米磁性隧道结(MTJ)的研究。用细聚焦粒子束刻蚀机 (FIB) 研 352制微米和亚微米磁性隧道结:结电阻10~10 ,?,m～磁电阻比达 10-40%。 【E】研制与CMOS工艺匹配的MTJ工艺～通过微电子学技术～将性能优越的隧 道结(TMR)应用功能材料～集成在半导体基片上形成MRAM单元阵列～利用 我们制备的具有自主知识产权的优质磁隧道结材料～ 通过与国内外协作 或委托加工的方式～进一步研究综合提高CMOS电路和MRAM记忆单元集成 密度的可行性, 为高密度的MRAM的大规模集成工艺提供关键技术。 2. 自旋阀及相关自旋电子材料的机制及应用研究 【A】深入研究交换偏置耦合的机制。这是一个基本物理问题。目前人们提出的 随机场模型,random field,、界面畴壁模型,interfacial domain wall,及自 旋跳转垂直界面耦合模型(spin-flop perpendicular interfacial coupling)都还未 能很好地诠释交换耦合偏置这一基本问题。我们将用数值计算、界面结构 及磁性表征等手段进一步深入研究该问题～试图完全弄清楚其耦合机制。 【B】探索偏置耦合场高、高T,耦合偏置场降低到零的温度,的温度稳定性好B 的FM/AFM双层膜系统～以期应用于隧道结和自旋阀结构中～进一步增强 其性能的稳定性, 【C】研究镜面反射(specular reflection)增强磁电阻自旋阀。在传统自旋阀三层膜 的一侧或两侧加上一层较薄,，5 nm,的氧化层(例如:NiO)～由于存在镜 面反射效应～电子将被重新反射回自旋阀结构中参与输运～这等效为电子 的平均自由层增加～从而可以增大巨磁电阻比值, 【D】新型高磁电阻比值、高灵敏度自旋阀的探索～主要包括探索高自旋相关散 射不对称因子、窄非磁层厚度及低层间耦合的实用型自旋阀材料, 【E】开展具有高灵敏度和高空间分辨率的线性自旋阀传感器研究。通过课题1 和课题2的配合～采用磁性隧道结材料制备灵敏度更高的磁性传感器。 3. 自旋电子注入的材料结构、过程和控制 【A】 开展室温磁性半导体作为新型自旋电子注入源的研究。这一点正在成为 自旋电子学研究的热点前沿。 【B】 研究铁磁氧化物半导体/宽禁带半导体异质结的自旋注入特性。 【C】 拓宽了对不同的自旋电子源,如铁磁性金属、半金属铁磁氧化物、磁性半 导体等,在不同的界面条件下,如在界面插入绝缘层、自旋过滤层、或利 用肖特基势垒等,自旋电子注入到半导体的研究。 4. 高自旋极化率自旋电子材料 【A】 探索具有高自旋极化率的自旋电子学材料。揭示这类与CrO类似的接近2 100%的自旋极化率的本质。研究不同制备条件、微结构等对磁结构和自 旋极化的影响及其之间的相互关联。 【B】 研究自旋极化、界面态和微观结构、异质结中的层间耦合、以及电磁各 向异性等对磁电阻效应、自旋隧穿效应的影响。 【C】 研究高自旋极化率材料中的电荷,轨道,自旋序之间的相互关联及其对 自旋相关输运性质的影响。 【D】 高品质氧化物材料及相关体系的外延薄膜及异质结构的制备。研究不同 制备条件、微结构等对磁结构和电磁性能的影响及其之间的相互关联～ 并进而制备高品质自旋电子材料及相关体系的外延薄膜异质结～深入研 究氧化物异质结的整流特性、磁场对新型p-n结的调制特性和光致开关 效应等 【E】 探索新型高自旋极化率半金属材料～为项目中心目标提供实用性新材料 5(自旋电子材料的显微结构表征科学 围绕本项目的中心目标～以微结构表征为手段～重点解决金属磁性多层膜在界面和表面原子排列和自旋排列的完整性对磁电阻、结电阻、驱动磁场和温度与化学稳定性的影响～并与其它各课题相互配合～共同解决自旋电子材料的高磁电阻比率～低的结电阻～低驱动磁场和高的温度和化学稳定性等在磁随机存储器(MRAM)研制中所遇到的四个关键问题。 【A】 完善自旋电子材料显微结构表征和自旋表征。完善原位穆斯堡尔谱仪/磁 性金属超薄膜生长/超高真空变温SPM联合系统～综合SPM高空间分辨率 和穆斯堡尔谱仪的极高能量分辨率优点～深入研究自旋结构和磁结构表 征、自旋操纵和注入以及自旋动力学性质等基本物理问题。 【B】 利用扫描隧道显微镜深入研究磁性隧道结材料、自旋阀材料和高自旋极 化率材料的显微表征～利用变温扫描隧道谱测量不同温度下的隧道谱～ 局域隧道谱与磁输运的内在联系。研究高自旋极化率材料中电荷有序和 微观相分离与磁电阻的内在联系。 【C】利用变温磁力显微镜～观测高温和低温条件下MRAM原型器件或磁隧道结 阵列中分立图形或图形链的自旋结构～确定自旋结构温度稳定性。 【D】利用有自旋极化STM和磁力显微镜～观测MRAM原型器件或磁隧道结阵 列中分立图形或图形链的自旋结构。 【E】利用穆斯堡尔谱和中子衍射确定高自旋极化率材料的价态、自旋态及其对磁电阻的影响。 请在框内录入相应内容后再上传。(编辑时～请删除此行提示信息) 本项目以基金委“九五”重大、重点课题和中科院“九五”重大项目的研究基地为基础～包括中科院物理所磁学国家实验室、南京大学、山东大学、中国科技大学～中科研固体物理研究所和中科院微电子所等单位～联合在微电子加工、集成工艺技术研究方面有优势的研究集体～基本上覆盖了我国自旋电子学研究的骨干力量～形成国家级的自旋电子学研究队伍。各承担单位在前两年项目执行中均取得很大的进展～因此在承担单位上不做调整。研究队伍调整方案为: ,1, 为解决磁性隧道结材料与CMOS匹配的关键问题～课题一研究 骨干中增加微电子所杜寰研究员。 ,2, 为了培养锻炼年轻研究人员～课题二的负责人由胡安和杜军 共同担任。 ,3, 课题三增加刘国磊为研究骨干～刘国磊在德国长期从事磁性 薄膜和自旋注入方面的研究～具有很强的专业知识背景和经 验～他的加入将更加充实课题三的研究队伍。 ,4, 课题四中将调整与高自旋极化率无关的研究人员。 ,5, 课题五中增加博士生6名。 另外为充分发挥项目专家组的作用～我们建议调整后的项目专家组成员 为: 詹文山、成昭华、王阳元、王崇愚、张殿琳、朱静、都有为、李发伸、韩秀峰、胡安 调整前 调整后 承担单位数 5 6 队 总人数 52 56 伍 正高 22 22 规 模副高 18 20 对中初级 5 7 比 博士后 7 7 研究生 36 46 二、研究目标 1.项目计划任务书原定内容 自旋电子材料最重要的应用之一是制成磁随机存储器,MRAM,～为此～要求材料具有,1,高的磁电阻比率,,2,低的结电阻,,3,低的驱动磁场和,4,高的温度与化学稳定性～为解决自旋电子材料这四个关键问题～本项目拟以电子在纳米结构中的自旋极化输运研究为核心～将不同层面的纳米结构材料,隧道结材料、高自旋极化度材料、铁磁,反铁磁耦合材料、铁磁/半导体异质结构材料等,与功能特性,电子传导、自旋相关输运、磁耦合、自旋注入,紧密联系起来。实现制备优良材料、阐明物理机制和解决器件工艺问题这三个目标～制成磁性随机存储器(MRAM)原型器件。同时～促进自旋电子学材料、物理和应用的进一步发展。 五年目标: 1.阐明以TMR为主的磁电阻材料的输运过程、自旋转移效应以及反铁磁结构材料钉扎效应等基本物理问题～为优化TMR实用材料指明方向和道路,为MRAM提供性能合格的MTJ材料。性能达到: 2TMR?30,,结电阻?200 kΩμm,偏置场?200 Oe,反转场<30 Oe,势垒高度约为2 eV,温度稳定性好于200?,记忆单元-结尺 22寸约1.5×1.5,m～相当于 256Mb/in,并制成MRAM原型器件。利 用我们制备的具有自主知识产权的优质磁隧道结材料～ 通过与国 内外协作 或委托加工的方式 制备MRAM原形器件, 为MRAM的大 规模集成工艺提供关键技术。 2.深入研究铁磁/反铁磁界面交换耦合偏置的机制,发展交换偏置场高、高TB,耦合偏置场降低到零的温度,以及高温度化学稳定的FM/AFM双层膜系统,制备出高磁电阻比值(GMR，10,)、低开关场,H,5，10 Oe,、高灵敏度S ,>1%/Oe,、高偏置场(H，300 Oe)、温度稳定性好,工作温度>230:C,的自旋E 阀材料,用制备出的优质自旋阀材料做出特殊传感器。 3.掌握“注入自旋”在异质结界面处被散射的规律和机制～解决界面上的自旋相关散射～争取二年内实现室温下达到90%以上的自旋注入,探讨半导体中的自旋极化传输和自旋动力学,在此基础上～研究构架自旋晶体管、自旋逻辑门的原理和原型器件。 4.研究新的高自旋极化自旋电子材料,阐明超大磁电阻效应的物理机制～在此基础上～获得一到二种具有实际应用价值的新型自旋电子材料。解决并优化全 氧化物自旋阀、隧道结的制备工艺～阐明这类新型人工结构所涉及的一些基本物理问题例如自旋电子输运、自旋相关散射以及自旋转移效应等的规律。 5.建立与完善自旋电子材料界面原子排列和自旋排列表征方法～解决界面原子排列和自旋排列完整性与磁电阻～低驱动磁场和高的化学稳定性关系。研究表面、界面的结构,原子排列和扩散,对磁输运的影响,以及自旋排列及磁畴结构,探讨并掌握新型高自旋极化率材料的微观结构、磁结构相变、自旋排列与极化和磁输运的关系。 2.后三年调整方案 在原项目计划任务书的基础上后三年将加强磁性隧道结新材料、新物理效应和机制、新工艺、MRAM新器件结构和新工作原理的研究～预期在磁性隧道结材料、物理和原理型演示器件等基础性研究方面获得重大创新性和突破性的进展及成果。 除了开关型的自旋阀传感器外～将开展具有高灵敏度和高空间分辨率的线性自旋阀传感器研究。由于磁性隧道结具有更高的磁电阻比率～因此下三年研究目标计划采用通过课题1和课题2的配合～采用磁性隧道结材料制备灵敏度更高的磁性传感器。 进一步加深室温磁性半导体作为新型自旋电子注入源的研究。为了寻找高效的自旋注入源～我们将研究氧化物基、氮化物基、碳化物基的高居里点的磁性半导体材料。大量研究表明～高效的自旋注入源是实现自旋注入的关键。这一点正在成为自旋电子学研究的热点前沿。研究铁磁氧化物半导体/宽禁带半导体异质结的自旋注入特性。 研究结界面处电导和晶格失配程度～以及原子涨落情况～分析失配程度、涨落大小对自旋注入的影响和规律。测定有效自旋注入率、自旋在宽禁带半导体中扩散长度,或弛豫时间,～并研究自旋在宽禁带半导体中的输运特性～以及磁场、电场对自旋输运的影响规律和调控。 探索新型高自旋极化率材料和半金属材料～并将高性能高自旋极化率材料应用于自旋电子器件中,集中在加强对高自旋极化率材料中的电荷,轨道,自旋序的研究,加强氧化物异质结的整流特性、磁场对新型p-n结的调制特性和光致开关效应等方面研究～为项目中心目标提供实用性新材料。 在表征方面～重点研究自旋电子材料自旋排列和自旋极化对自旋相关输运的影响。充分充分发挥STM空间高分辨的优势～加强自旋极化研究,如自旋极化STM等研究,弄清室温磁性隧道结、自旋阀材料和磁性半导体的成分、微结构、及过渡族元素的价态,弄清这类材料的电子输运机理进而加深对磁电阻的认识,认识这类材料的磁光特性,以获得材料的优异性能为中心～探讨材料的工艺、性能、微结构之间的密切关系。充分发挥和完善原位穆斯堡尔谱/MBE/SPM联合系统的特色和优势～为自旋电子学中开拓新的生长点。