基于TMR效应超高灵敏度的复合磁性传感器研究
批准号:
51701203
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
27.0 万元
负责人:
陶丙山
依托单位:
学科分类:
金属功能材料
结题年份:
2020
批准年份:
2017
项目状态:
已结题
项目参与者:
李建国、桂漓江、李艳丽、秦健鹰、杨百顺、孔文洁、Irfan Jutt、章晓敏、陈伟钊
中文摘要
该项目拟优化和探索基于MgO和尖晶石结构氧化物等新势垒材料、具有高隧穿磁电阻(TMR)的磁性隧道结,研制设计具有超高灵敏度的新型TMR-超导复合磁性传感器。首先研究生长条件、后期退火处理对隧道结界面质量和TMR的影响,获得高质量及高TMR的隧道结材料体系;然后设计不同结构、采用不同线性化方法制备TMR磁性传感器,探讨提高传感器灵敏度和抑制其噪声的途径;研究超导环放大器和磁通聚集器的形状、大小对灵敏度增益系数的影响;最后选择工艺兼容的超导环制备TMR-超导复合传感器,对传感器的灵敏度进行放大实现超弱磁场的探测;进一步集成磁通聚集器和超导环放大器对传感器灵敏度进行双重放大,实现pT和fT量级的磁场探测,为超弱磁场的探测提供一种新的技术方法,拓宽TMR磁性传感器的应用范围。
英文摘要
The aim of this project is to optimise and explore magnetic tunnel junctions (MTJs) with high tunnelling magnetoresistance (TMR) based on MgO and spinel oxide barrier and fabricate TMR-superconductor mixed magnetic sensor with ultra-high sensitivity. Firstly, the influence of growth conditions and post-annealing process on the TMR and interfacial quality will be studied to obtain MTJs with high TMR and quality. Then, magnetic sensors with different structures will be designed and realized by different linearity strategy. The way to improve sensitivity and suppress noise will be explored. The gain factor dependence of geometry and size of the superconductor loop amplifier and magnetic flux concentrator will be studied. At last, the compatible superconductor loop will be integrated with TMR sensor to enhance its sensitivity to detect ultra-low field. Furthermore, the superconductor loop and flux guides will be integrated together to realize dual amplification of sensitivity to detect magnetic field of pT and fT level. This will provide a new technology method to measure ultra-low field and expand the application of TMR magnetic sensor.
磁性隧道结是自旋电子学领域核心材料体系之一,因其重要的应用价值而被术 界和工业广泛研究关注。最近尖晶石构MgAl2O4势垒由于其和 MgO相同的自旋过滤特性及和铁磁电极更小晶格失配度,引起了关注成为隧道结 势垒层的候选材料。本项目基于MgO和尖晶石结构氧化物等新势垒材料,开展具有高隧穿磁电阻(TMR)的磁性隧道结的研究,并在此基础上研制设计具有超高灵敏度的新型TMR-超导复合磁性传感器,取得了如下成果:.1、利用分子束外延方法制备了单势垒的MgAlOx势垒磁性隧道结,研究了其隧穿各向异性磁电阻(TAMR)效应。MgO和MgO-MgAlOx势垒隧道结TAMR效应的四重对称性要比MgAlOx和MgO-MgAlOx势垒隧道结中的比重大。非弹性隧道谱的测量揭示了四种隧道结中存在不同的界面共振态,结合平行态电导随温度的变化关系,我们认为由少子Δ5主导的界面共振态和多子Δ1态的耦合增强了MgO和MgO-MgAlOx势垒隧道结中TAMR效应的四重对称性。.2、制备了纳米尺度的MgAlOx隧道结,研究了纳米尺度下MgAlOx隧道结中的量子阱共振隧穿效应。证实了纳米尺度Fe/MgAlOx(3ML)/Fe/MgAlOx(6ML)/Fe/MgAlOx(3ML)三势垒隧道结中双量子阱态;同时在结构为Fe/MgAlOx(6ML)/Fe/MgAlOx(3ML)/Fe/MgAlOx(6ML)三势垒隧道结中实现了电子通过双量子阱态的共振隧穿效应。.3、采用倒装焊工艺研制了高灵敏度TMR-超导复合磁传感器,器件的热噪声水平达到了~200fT,表明传感器具备亚pT级别磁场的探测能力,同时也为TMR-超导复合磁传感器的发展打下了坚实基础。
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Influence of HfO2 interlayers on magnetocrystalline anisotropy in Fe |MgO |Fe magnetic tunnel junction: First-principles investigation
HfO2 夹层对 Fe |MgO |Fe 磁隧道结磁晶各向异性的影响:第一性原理研究
DOI:
10.1063/1.5095654
发表时间:
2019-06
期刊:
JOURNAL OF APPLIED PHYSICS
影响因子:
3.2
作者:
[Chen W Z, Zhang J, Yang B S, Jiang L N, Yu T, Han X F]
通讯作者:
Han X F
Tunneling anisotropic magnetoresistance in fully epitaxial magnetic tunnel junctions with different barriers
具有不同势垒的全外延磁隧道结中隧道各向异性磁阻
DOI:
10.1063/1.5027909
发表时间:
2018-06
期刊:
Applied Physics Letters
影响因子:
4
作者:
[Tao B. S., Tao B. S., Jiang L. N., Kong W. J., Chen W. Z., Yang B. S., Wang X., Wan C. H., Wei H. X., Han X. F., Tao B. S., Hehn M., Lacour D., Lu Y., Han XF, Lu Y]
通讯作者:
Lu Y
Study of spin-orbit torque induced magnetization switching in synthetic antiferromagnet with ultrathin Ta spacer layer
超薄 Ta 间隔层合成反铁磁体自旋轨道扭矩引起磁化翻转的研究
DOI:
10.1063/1.5045850
发表时间:
2018
期刊:
Applied Physics Letters
影响因子:
4
作者:
[Kong W. J., Wan C. H., Tao B. S., Fang C., Huang L., Guo C. Y., Irfan M., Han X. F.]
通讯作者:
Han X. F.
DOI:
10.1021/acs.nanolett.9b00205
发表时间:
2019
期刊:
Nano Letters
影响因子:
10.8
作者:
[Tao Bingshan, Wan Caihua, Tang Ping, Feng Jiafeng, Wei Hongxiang, Wang Xiao, Andrieu Stephane, Yang Hongxin, Chshiev Mairbek, Devaux Xavier, Hauet Thomas, Montaigne Francois, Mangin Stephane, Hehn Michel, Lacour Daniel, Han Xiufeng, Lu Yuan]
通讯作者:
Lu Yuan
Origin of the large voltage-controlled magnetic anisotropy in a Cr/Fe/MgO junction with an ultrathin Fe layer: First-principles investigation
具有超薄 Fe 层的 Cr/Fe/MgO 结中大电压控制磁各向异性的起源:第一性原理研究
DOI:
10.1103/physrevb.101.144434
发表时间:
2020-04
期刊:
PHYSICAL REVIEW B
影响因子:
3.7
作者:
[Chen W. Z., Jiang L. N., Yan Z. R., Zhu Y., Wan C. H., Han X. F.]
通讯作者:
Han X. F.
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