[论文解读] High TMR ratio in Co2FeSi and Fe2CoSi based magnetic tunnel junctions

Christian Sterwerf, Markus Meinert+2 more|Aug 9, 2013

Magnetic properties of thin films被引用 8

一句话总结

本研究通过优化 Co2FeSi 中的 Fe 掺杂以实现中间化学计量比（Fe1.75Co1.25Si），在基于 Co2FeSi 和 Fe2CoSi 的磁性隧道结（MTJs）中实现了高隧道磁阻（TMR）比。在 15 K 时达到最高 262% 的 TMR 比，室温下为 159%，归因于通过溅射和真空退火工艺在 MgO 基底上形成的反式 Heusler Fe2CoSi 薄膜中，由退火诱导的原子有序性使费米能级对准少数自旋赝隙。

ABSTRACT

Magnetic tunnel junctions with Fe1+xCo2-xSi (0 < x < 1) electrodes and MgO barrier were prepared on MgO substrates by magnetron co-sputtering. Maximum tunnel magnetoresistance (TMR) ratios of 262 % at 15 K and 159 % at room temperature were observed for x=0.75. Correlations of the annealing temperature dependent atomic ordering and TMR amplitude are discussed. The high TMR for an intermediate stoichiometry is ascribed to the adjustment of the Fermi energy within a minority spin pseudo gap.

研究动机与目标

• 通过 Fe 掺杂的 Co2FeSi 和 Fe2CoSi 组成，在 Heusler 基磁性隧道结中实现高 TMR 比。
• 研究原子有序性和退火温度对 Co2FeSi 和 Fe2CoSi MTJs 中 TMR 性能的影响。
• 确定在少数自旋赝隙内费米能级对准在增强 TMR 比中的作用。
• 比较 Co2FeSi 和 Fe2CoSi 基 MTJs 的本征自旋极化度，特别是 Co2FeSi 中有序性与 TMR 之间无相关性的原因。

提出的方法

• 采用直流/射频磁控共溅射法在室温下于 MgO(001) 基底上沉积外延 Fe1+xCo2−xSi 薄膜，使用 Cr 作为缓冲层。
• 溅射沉积 2 nm 厚的 MgO 隧道势垒，随后沉积 Co70Fe30/Mn83Fe17/Ru 反向电极。
• 采用体外真空退火（200 °C 至 500 °C）以诱导原子有序性并改善结晶度。
• 利用 X 射线衍射和非对称反射测量分析晶体学有序性，特别是 D-A,C 有序参数。
• 采用两点探针技术在 15 K 至 300 K 温度范围及最高 0.3 T 的磁场下测量 TMR 比。
• 分析电压依赖性 TMR 和温度依赖性 TMR，以评估偏压和热稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 Co2FeSi 中的 Fe 掺杂如何影响 MgO 基 MTJs 中的 TMR 比？
• RQ2 原子有序性（D-A,C 参数）在决定 Fe1+xCo2−xSi 基 MTJs 中 TMR 性能方面起什么作用？
• RQ3 为何 Co2FeSi 基 MTJ 中有序性与 TMR 之间无相关性，而 Fe2CoSi 基 MTJ 中存在相关性？
• RQ4 来自反向电极的 Mn 扩散在高温退火下对 TMR 的劣化程度如何？
• RQ5 在少数自旋赝隙内调节费米能级是否可解释 Fe1.75Co1.25Si 基 MTJs 中 TMR 的增强？

主要发现

• 在 375 °C 退火后，Fe1.75Co1.25Si 基 MTJs 在 15 K 时实现了最高 262% 的 TMR 比。
• 相同 Fe1.75Co1.25Si 组成的 MTJs 在室温（300 K）下仍保持 159% 的 TMR 比。
• Fe1.75Co1.25Si MTJs 的 TMR 比在 300 °C 至 375 °C 之间保持恒定，表明原子有序性改善与 Mn 扩散效应之间达到平衡。
• 对于 Co2FeSi 基 MTJs，最大 TMR 为 118%（在 325 °C 时达到），但随着退火温度升高，尽管 D-A,C 有序参数持续增加，TMR 比反而下降。
• Fe2CoSi 的电压依赖性 TMR 显示出较慢的衰减趋势，并在 -0.8 V 处出现小峰，表明可能存在能带结构效应。
• 所有组成中 TMR(15 K)/TMR(300 K) 比值大致按 1.5 倍因子缩放，与其他 Heusler 基 MTJs 一致。