自旋电子学———门研究电子自旋输运相关性质的新兴学科,发展至今已历时整三十年,在信息存储、通信、计算、传感以及类神经网络等领域都表现出了广阔的应用前景。自旋电子学的目的在于利用电子的自旋属性设计和开发各种新型功能化材料或自旋电子器件。与传统微电子器件不同,自旋电子器件是通过对电子自旋流的产生、传输、检测以及有效控制来进行设计的新一代电子器件,具有功耗低、集成度高等特点,被认为是后摩尔时代推动技术创新的重要元素。其中,基于磁性隧道结的自旋电子器件,如高灵敏度磁性传感器、磁随机存储器、自旋纳米振荡器以及自旋逻辑器件等,由于具有非常广阔的应用前景,已经成为全世界诸多研究机构以及IBM、三星等科技巨头公司研究关注的重点。它们有的已经被广泛应用于消费电子、智能家电、汽车、工业控制等诸多领域,有的则正被投入巨资和精力开发研究当中。在诸多磁性隧道结体系中,基于MgO隧穿层的磁性隧道结是当前具有最高磁电阻值的隧道结结构,而且其技术相对完善成熟。本论文围绕MgO磁性隧道结,主要从其磁化动力学行为以及非易失多态信息存储两个方向入手开展了一系列工作,主要内容概括如下:(1)CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道结多层膜的溅射沉积和器件加工工作。我们利用不同的磁控溅射设备在不同的生长条件下沉积了隧道结多层膜样品,通过紫外光刻、电子束曝光、离子束刻蚀等一系列标准微纳加工流程制备了微米和纳米尺寸的隧道结器件。在三种不同的隧道结样品中分别测到了 50%、190%和109%的室温磁电阻,而且其最低RA值低于10Ωm2。同时,我们对MgO隧道结结构进行了解剖分析,为MgO磁性隧道结多层膜结构的优化设计提供了指导建议。(2)CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道结中几何增强磁电阻效应的研究。我们在四端法测量磁电阻的过程中,发现了电流密度分布不均所导致的巨大磁电阻效应。为此,我们建立了几何增强磁电阻效应的等效电路模型,且发现了其反常的电流与温度依赖关系。样品在350K时表现出高达425%的磁电阻,并且磁电阻的大小不依赖于测量电流的大小。这种独特的性质为研发高灵敏度、高稳定性的磁性传感器提供了新的设计思路。(3)自旋纳米振荡器微波发射性质研究。我们设计并制备了基于CoFeB/MgO/CoFeB隧道结的自旋纳米振荡器器件并进行了微波发射性质的测量。我们分别将自由层为面内磁化和倾斜磁化的两种隧道结多层膜加工成了自旋纳米振荡器器件,并且设计了不同的几何形状:A)自由层长轴方向与钉扎层钉扎场方向一致;B)自由层长轴方向与钉扎层钉扎场方向正交。在所有振荡器样品中我们都测到了微波发射信号,其单器件最大功率为11.9 nW。另外,在B)设计中我们成功实现了零磁场下的微波发射。(4)合成反铁磁结构中磁化动力学的数值模拟研究。基于Bloch-Bloembergen-Slonczewski(BBS)方程,我们对合成反铁磁结构的磁化自由层在自旋转移矩下的磁化动力学行为开展了细致的分析研究。我们的模拟结果显示,当满足反铁磁耦合强度足够大,合成反铁磁结构的上层(下层)足够厚(薄),以及自由层的横向弛豫时间大于纵向弛豫时间等条件时,在利用合成反铁磁结构作为磁化自由层的自旋纳米振荡器中有可能实现零磁场下的太赫兹信号发射。(5)非易失多态信息存储研究。我们提出了一种通过操纵材料剩磁态从而实现非易失多态信息存储的概念,并分别在CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道结和(Co/Pt)。多层膜样品中进行了概念演示。我们制备了具有几何增强磁电阻效应的CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道结样品和具有良好垂直磁各向异性的(Co/Pt)n多层膜样品,并分别利用“磁写磁读”和“磁写电读”的方法成功演示了 10态存储的过程。另外,为了获得更好的稳定性,我们提出了一种通过控制反铁磁层磁畴进而控制固定层磁化状态的方法来实现非易失的多态存储,并在CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道结中进行了演示。