专利名称：：一种单晶NaCl势垒磁性隧道结及其用途的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种单晶NaCl(001)势垒磁性隧道结，以及其在自旋电子器件中的应用。
背景技术：
：自1975年Julli&e发现隧穿磁电阻(TunnelMagnetoresistance，TMR)效应以来，磁性隧道结中自旋相关电子的隧穿输运性质和隧穿磁电阻(TMR)效应已成为凝聚态物理中的重要研究领域之一。1995年日本科学家T.Miyazaki和美国科学家J.S.Moodera在利用非晶Al-O绝缘材料做势垒层的磁性隧道结(Magnetictunneljunction,MTJ)中分别独立获得了室温下18%和10%的隧道磁电阻(TMR)比值，从而掀起了磁性隧道结的研究高潮，并极大推动了包括计算机硬磁盘磁记录头(MagneticRecordingHead)材料、磁性传感器(MagneticSensor)、磁性随机存储器(MagneticRandom-AccessMemory,MRAM)器件等在内一系列自旋电子器件的发展。目前，人们在磁性隧道结势垒材料的研究方面取得了新的显著成果，如实验上已在单晶MgO(OOl)势垒制成的磁性隧道结中获得室温高于400%的TMR值，远大于目前普遍使用非晶Al-O势垒层制成的隧道结(目前室温TMR值达到80%)。这是由于对以单晶MgO(OOl)作为势垒层的隧道结，隧穿电流主要由s带电子(zll对称性)贡献，这个隧穿机制最早由Butler等人提出[W.H.Butler,"<a/.，Phys.Rev.B63，054416(2001)]，并被近几年的实验研究所证实[S.S.P.Parkin,"Nat.Mater.3,862(2004);S.Yuasa,d"/，Nat.Mater.3,868(2004)]。然而单晶MgO(001)势垒隧道结在磁性随机存储器(MRAM)等器件应用上仍有不足之处:MgO(OOl)势垒层厚度必须在lnm至3nm左右以保证较高的TMR效应，而此时隧道结电阻较大，导致器件功耗较高。若MgO势垒层厚度较薄，而此时大规模制备的隧道结隧穿磁电阻不能保证良好的一致性。探索新的具有高磁电阻比值的单晶绝缘势垒层磁性隧道结材料，而同时也能够减小隧道结电阻和功耗，并且工艺简单，成本低廉，环境友好，是发展新型磁性隧道结材料的新挑战和必由之路。
发明内容本发明的目的在于提供一种单晶NaCl(001)材料做势垒的磁性隧道结，特别是单势垒和双势垒的磁性隧道结，该磁性隧道结基本克服了现有单晶MgO(001)势垒隧道结在实际应用中还面临着较大结电阻和功耗的缺陷，制造工艺简单、成本更加低廉，同时还是资源丰富和环境友好的材料。本发明的目的是通过如下的技术方案实现的本发明提供的单晶NaCl(001)势垒磁性隧道结，其包括的核心膜层中的势垒层为NaCl(001)单晶绝缘材料组成。该隧道结可以是单势垒的，也可以是双势垒的。在本发明的技术方案中，提供一种单晶NaClC001)单势垒磁性隧道结，其包括一衬底，及其上的下部缓冲导电层、下部反铁磁性钉扎层、核心膜层、顶部保护层和导电层，其核心膜层从下至上包括第一磁性层(以下简称M1)、势垒层(以下简称Il)以及第二磁性层(以下简称M2)，即核心膜层的结构为M1/I1/M2;第一磁性层M1的磁化方向由下部的反铁磁性钉扎层钉扎，该反铁磁性钉扎层可由Ir、Fe、Rh、Pt或Pd与Mn的合金材料制成或其它CoO、NiO、PtCr等反铁磁性材料构成；而第二磁性层M2的磁化方向是自由的，即该层的磁化方向可随外加磁场而发生改变，与磁性层M1的磁化方向相同或者相反，形成单势垒隧道结平行(P态)和反平行(AP态)2种磁电阻状态。所述的磁性层Ml和M2的组成材料包括铁磁性材料FM、半金属磁性材料HM、或者磁性半导体材料MSC，所述的第一磁性层M1和第二磁性层M2的厚度为150nm;两个磁性层的厚度和材料可以相同或者不相同；所述的铁磁性金属材料FM包括Fe、Co、Ni等3d过渡族磁性单质金属，Sm、Gd、Nd等稀土单质金属，Co-Fe、Co-Fe-B、Co-Fe-Si-B、Ni-Fe、Gd-Y等铁磁性合金；所述的半金属磁性材料HM包括Fe304、Cr02、LaxSr^MnCb和Co2MnSi等Heussler合金；所述的磁性半导体材料MSC包括Fe、Co、Ni、V、Mn掺杂的ZnO、Ti02、Hf02和Sn02，也包括Mn掺杂的GaAs、InAs、GaN和ZnTe;所述的隧道势垒层II的组成材料为NaCl(001)单晶绝缘材料，厚度为0.55.0nm。在本发明的技术方案中，提供一种单晶NaCl(001)双势垒磁性隧道结，其包括一衬底，及其上的下部缓冲导电层、下部反铁磁性钉扎层、核心膜层、上部反铁磁性钉扎层、顶部保护层和导电层，其核心膜层从下至上包括第一磁性层(以下简称M1)、第一势垒层(以下简称n)、第二磁性层(以下简称M2)、第二势垒层(以下简称I2)以及第三磁性层(以下简称M3)，即核心膜层的结构为M1/I1/M2/I2/M3;第一磁性层Ml和第三磁性层M3的磁化方向由下部和上部反铁磁性层钉扎成同一个方向，该反铁磁性钉扎层可由Ir、Fe、Rh、Pt或Pd与Mn的合金材料制成或其它CoO、NiO、PtCr等反铁磁性材料构成；而第二磁性层M2的磁化方向是自由的，即该层的磁化方向可随外加磁场而发生改变，与磁性层M1和M3的磁化方向相同或者相反，形成双势垒隧道结平行(P态)和反平行(AP态)2种磁电阻状态。所述的磁性层M1、M2、M3的组成材料包括铁磁性材料FM、半金属磁性材料HM、或者磁性半导体材料MSC，所述的第一和第三磁性层Ml和M3的厚度为150nm;所述的第二磁性层M2的厚度为0.525nm;三个磁性层的厚度和材料可以相同或者不相同；所述的铁磁性金属材料FM包括:Fe、Co、Ni等3d过渡族磁性单质金属，Sm、Gd、Nd等稀土单质金属，Co-Fe、Co-Fe-B、Co-Fe-Si-B、Ni-Fe、Gd國Y等铁磁性合金；所述的半金属磁性材料HM包括Fe304、Cr02、LaxSr^MnC^和Co2MnSi等Heussler合金；所述的磁性半导体材料MSC包括Fe、Co、Ni、V、Mn掺杂的ZnO、Ti02、Hf02和Sn02，也包括Mn掺杂的GaAs、InAs、GaN和ZnTe;所述的隧道势垒层Il、12的组成材料为NaCl(001)单晶绝缘材料，厚度为0.55.0nm;对于双势垒的核心膜层，II和12的厚度可以相同，也可以不同。本发明提供的单晶NaCl(001)磁性隧道结是在任意一种选定的现有技术的衬底上，利用常规的薄膜制备方法和相应的微加工工艺制备而成。所述的薄膜制备方法可以为磁控溅射、分子束外延(MBE)、电子束蒸发、脉冲激光沉积(PLD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、溶胶-凝胶法(Sol-Gel)、电沉积或者脉冲激光沉积、液相化学反应沉积和高纯度NaCl盐水人工调控结晶等方法。所述的微加工工艺可以为光刻法、金属掩膜法、离子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀和化学反应刻蚀等。其中核心膜层的NaCl(001)势垒层可以用物理或者化学沉积的方法获得，如磁控溅射、分子束外延(MBE)、电子束蒸发、脉冲激光沉积(PLD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、溶胶-凝胶法(Sol-Gel)、电沉积或者脉冲激光沉积等。本发明提供的单晶NaCl(001)单势垒和双势垒磁性隧道结可以使用微加工方法或绝缘体微米、亚微米或纳米颗粒掩模方法制备成所需的隧道结图形结构，该图形结构可以为方形、矩形、椭圆形、六角形或其对应的空心环状磁矩闭合型磁性隧道结结构。本发明提供的单晶NaCl(001)单势垒磁性隧道结，隧穿电流主要由s带多子电子(自旋向上，」l对称性)贡献，因此核心膜层中势垒层(I1)两边磁性电极(M1和M2)磁化方向平行时(P态)隧穿电流较大，此时隧道结电阻较小；而通过改变外磁场使得核心膜层中磁性电极层(M1和M2)磁化方向反平行(AP态)时，两边磁电极能带不匹配，隧穿电流较小，此时单势垒隧道结电阻相对平行状态(P态)较大。因此可以得到室温非常高的单势垒隧穿磁电阻比值(大于200%)。同时NaCl(OO1)势垒层产生的结电阻较小，降低了器件应用上的功耗。本发明提供的单晶NaCl(001)双势垒磁性隧道结，隧穿电流主要由s带多子电子(自旋向上，」l对称性)贡献，因此核心膜层中中间磁性层M2与两端磁性电极M1和M3磁化方向平行时(P态)隧穿电流较大，此时隧道结电阻较小；而通过改变外磁场使得核心膜层中中间磁性层M2与两端磁性电极M1和M3反平行(AP态)时，两边磁电极能带不匹配，隧穿电流较小，此时双势垒隧道结电阻相对平行状态(P态)较大。因此可以得到室温非常高的双势垒隧穿磁电阻比值(大于200M)。同时NaCl(001)势垒层产生的结电阻较小，降低了器件应用上的功耗。本发明提供的单晶NaCl(001)单势垒和双势垒磁性隧道结可以应用于新型自旋电子器件设计，例如可用于高灵敏度的磁敏、电敏、光敏和气敏传感器、磁性随机存取存储器(MRAM)存储单元、磁逻辑器件、自旋晶体管单元等。本发明提供的单晶NaCl(001)单势垒和双势垒磁性隧道结的优点在于采用单晶NaCl(001)作为磁性隧道结的中间势垒层，在有效提高隧道结隧穿磁电阻比值的同时能够得到较小的结电阻，并且降低了器件应用上的功耗。同时单晶NaCl(001)势垒材料的制备工艺简单，成本更加低廉，同时还是资源丰富和环境友好的材料。具体实施例方式实施例1、磁控溅射法制备单晶NaCl(001)单势垒磁性隧道结利用高真空磁控溅射设备在经过常规方法清洗的Si/Si02衬底上依次沉积厚度为10nm的下部缓冲导电层Ta;10nm的反铁磁性钉扎层Ir-Mn;以及3层结构的单势垒核心膜层(M1/I1/M2)——Fe(10nm)/NaC1(001)(1nm)/Fe(10nm);在核心膜层的上方继续溅射沉积10nm的Au顶部保护层。核心膜层中的单晶NaCl(001)绝缘层通过单晶NaCl靶材直接溅射形成。上述磁性多层膜的生长条件背底真空lxlO—6Pa;溅射用高纯度氩气气压0.07Pa;溅射功率120W;样品架旋转速率20rmp;生长温度室温；生长速率0.03O.llnm/sec;生长时间薄膜厚度/生长速率；在沉积反铁磁钉扎层、核心膜层的Ml磁性层时，施加100Oe的平面诱导磁场，因此磁性层Ml的Fe由反铁磁性钉扎层Ir-Mn固定成某一个磁化方向，而第二磁性层M2的Fe的磁化方向是相对自由的。沉积好的磁性多层膜采用现有技术中的微加工技术，即首先经过涂胶、前烘，再在电子束曝光机上，根据所需的图形对薄膜样品进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜刻成所需图形，最后用去胶剂浸泡进行去胶。然后在此刻蚀成形的多层膜结构上，利用常规的薄膜生长手段，例如磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积、气相化学反应沉积等，沉积一层100nm厚的SiO2绝缘层，将各多层膜进行掩埋并且相互隔离，采用现有技术中的微加工技术进行刻蚀，即首先在聚焦离子束设备上定位到沉积有多层膜的位置，接着利用聚焦离子束刻蚀方法对Si02绝缘层进行刻蚀，使得绝缘层下掩埋的磁性多层膜暴露。最后利用高真空磁控溅射设备沉积一层厚度为lOOnm的导电层Cu，生长条件如前所述，用常规半导体微加工工艺加工出电极，即首先经过涂胶、前烘，再在紫外、深紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把多层膜上的导电层刻成四个电极的形状，最后用去胶剂浸泡进行去胶，即得到本发明的单晶NaCl(001)单势垒磁性隧道结。当外加磁场使核心膜层中的M2与M1磁化方向平行时，隧穿电流主要由s带多子电子(自旋向上，」l对称性)贡献，因此此时(P态)隧穿电流较大，隧道结电阻较小；而通过改变外加磁场，使核心膜层中磁性电极层(M1和M2)磁化方向反平行(AP态)时，两边磁电极能带不匹配，隧穿电流较小，此时隧道结电阻相对平行状态(P态)较大。因此可以得到室温非常高的隧穿磁电阻比值(大于200%)。实施例2、磁控溅射法制备单晶NaCl(001)双势垒磁性隧道结利用高真空磁控溅射设备在经过常规方法清洗的Si/Si02衬底上依次沉积厚度为10nm的下部缓冲导电层Ta;10腿的反铁磁性钉扎层Ir-Mn;以及5层结构的双势垒核心膜层(M1/I1/M2/I2/M3)——Fe(lOnm)/NaC1(001)(1.5nm)/Fe(2nm)/NaC1(1nm)/Fe(10nm);在核心膜层的上方继续沉积12nm的反铁磁性Ir-Mn钉扎层和10nm的Au顶部保护层。核心膜层中的单晶NaCl(OOl)绝缘层通过单晶NaCl靶材直接溅射形成。上述磁性多层膜的生长条件背底真空lxlO—6Pa;溅射用高纯度氩气气压0.07Pa;溅射功率120W;样品架旋转速率20rmp;生长温度室温；生长速率0.030.11nm/sec;生长时间薄膜厚度/生长速率；在沉积反铁磁钉扎层、核心膜层的M1和M3磁性层时，施加100Oe的平面诱导磁场，因此磁性层Ml和M3的Fe由反铁磁性钉扎层Ir-Mn固定成同一个磁化方向，而磁性层M2的Fe的磁化方向是相对自由的。沉积好的磁性多层膜采用现有技术中的微加工技术，即首先经过涂胶、前烘，再在电子束曝光机上，根据所需的图形对薄膜样品进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜刻成所需图形，最后用去胶剂浸泡进行去胶。然后在此刻蚀成形的多层膜结构上，利用常规的薄膜生长手段，例如磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积、气相化学反应沉积等，沉积一层100nm厚的SiO2绝缘层，将各多层膜进行掩埋并且相互隔离，采用现有技术中的微加工技术进行刻蚀，即首先在聚焦离子束设备上定位到沉积有多层膜的位置，接着利用聚焦离子束刻蚀方法对Si02绝缘层进行刻蚀，使得绝缘层下掩埋的磁性多层膜暴露。最后利用高真空磁控溅射设备沉积一层厚度为100nm的导电层Cu，生长条件如前所述，用常规半导体微加工工艺加工出电极，即首先经过涂胶、前烘，再在紫外、深紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把多层膜上的导电层刻成四个电极的形状，最后用去胶剂浸泡进行去胶，即得到本发明的单晶NaCl(001)双势垒磁性隧道结。当外加磁场使核心膜层中间磁性层M2与两端磁性电极M1和M3磁化方向平行时，隧穿电流主要由s带多子电子(自旋向上，」l对称性)贡献，因此此时(P态)隧穿电流较大，隧道结电阻较小；而通过改变外加磁场，使核心膜层中中间磁性层M2与两端磁性电极M1和M3磁化方向反平行(AP态)时，两边磁电极能带不匹配，隧穿电流较小，此时隧道结电阻相对平行状态(P态)较大。因此可以得到室温非常高的隧穿磁电阻比值(大于200%)。实施例3、分子束外延方法制备单晶NaCl(001)单势垒磁性隧道结利用超高分子束外延设备在经过常规方法清洗的单晶Mg(X001)材料衬底上依次沉积厚度为10nm的下部缓冲导电层Ru;10nm的反铁磁性钉扎层Pt-Mn;以及3层结构的核心膜层(M1/I1/M2)—Co(15nm)/NaC1(001)(2nm)/Co(15nm);在核心膜层的上方继续外延沉积5nm的Pt保护层。在外延沉积反铁磁钉扎层、核心膜层的各个磁性层时，施加lOOOe的平面诱导磁场，因此磁性层Ml的Co由反铁磁性钉扎层Pt-Mn固定，磁性层M2的Co的磁化方向是相对自由的。沉积好的磁性多层膜采用现有技术中的微加工技术，即首先经过涂胶、前烘，再在电子束曝光机上，根据所需的图形对薄膜样品进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜刻成所需图形，最后用去胶剂浸泡进行去胶。然后在此刻蚀成形的多层膜结构上，利用常规的薄膜生长手段，例如磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积、气相化学反应沉积等，沉积一层120nm厚的SiO2绝缘层，将各多层膜进行掩埋并且相互隔离，采用现有技术中的微加工技术进行刻蚀，即首先在聚焦离子束设备上定位到沉积有多层膜的位置，接着利用聚焦离子束刻蚀方法对Si02绝缘层进行刻蚀，使得绝缘层下掩埋的磁性多层膜暴露。最后利用高真空磁控溅射设备沉积一层厚度为120nm的导电层Al，生长条件如前所述，用常规半导体微加工工艺加工出电极，即首先经过涂胶、前烘，再在紫外、深紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把多层膜上的导电层刻成四个电极的形状，最后用去胶剂浸泡进行去胶，即得到本发明的单晶NaCl(001)单势垒磁性隧道结。本实施例的单晶NaCl(001)单势垒磁性隧道结其磁电阻效应与实施例1相似，通过改变隧道结所受到的外磁场，结电阻在反平行状态时(AP)相对平行状态(P态)较大。因此可以得到室温非常高的隧穿磁电阻比值(大于200%)。实施例4、分子束外延方法制备单晶NaCl(001)双势垒磁性隧道结利用超高分子束外延设备在经过常规方法清洗的单晶MgO(001)材料衬底上依次沉积厚度为10nm的下部缓冲导电层Ru;10nm的反铁磁性钉扎层Pt-Mn;以及5层结构的双势垒核心膜层(M1/I1/M2/I2/M3)——Co(15nm)/NaC1(001)(2nm)/Co(5nm)/NaCl(1nm)/Co(15nm);在核心膜层的上方继续沉积12nm的反铁磁性钉扎层Pt-Mn和顶部5nm的Pt保护层。在外延沉积反铁磁钉扎层、核心膜层的各磁性层时，施加1000e的平面诱导磁场，因此磁性层Ml和M3中的Co由反铁磁性钉扎层Pt-Mn固定成同一磁化方向，而磁性层M2的Co的磁化方向是相对自由的。沉积好的磁性多层膜采用现有技术中的微加工技术，即首先经过涂胶、前烘，再在电子束曝光机上，根据所需的图形对薄膜样品进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜刻成所需图形，最后用去胶剂浸泡进行去胶。然后在此刻蚀成形的多层膜结构上，利用常规的薄膜生长手段，例如磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积、气相化学反应沉积等，沉积一层120nm厚的SiO2绝缘层，将各多层膜进行掩埋并且相互隔离，采用现有技术中的微加工技术进行刻蚀，即首先在聚焦离子束设备上定位到沉积有多层膜的位置，接着利用聚焦离子束刻蚀方法对Si02绝缘层进行刻蚀，使得绝缘层下掩埋的磁性多层膜暴露。最后利用高真空磁控溅射设备沉积一层厚度为120nm的导电层Al，生长条件如前所述，用常规半导体微加工工艺加工出电极，即首先经过涂胶、前烘，再在紫外、深紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把多层膜上的导电层刻成四个电极的形状，最后用去胶剂浸泡进行去胶，即得到本发明的单晶NaCl(001)双势垒磁性隧道结。本实施例的单晶NaCl(001)双势垒磁性隧道结其磁电阻效应与实施例2相似，通过改变隧道结所受到的外磁场，结电阻在反平行状态时(AP)相对平行状态(P态)较大。因此可以得到室温非常高的隧穿磁电阻比值(大于200%)。实施例5、利用金属有机化学气相沉积方法制备单晶NaCl(001)单势垒磁性隧道结首先利用常规的薄膜生长手段，例如磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积、电化学沉积、分子束外延等，在经过常规方法清洗的GaAs材料衬底上依次沉积厚度为15nm的下部缓冲导电层Ta;10nm的反铁磁性钉扎层PtCr;以及3层结构的单势垒核心膜层(M1/I1/M2)中的2个磁性层一Co-Fe-B(20nm)和Co-Fe-B(20nm);在核心膜层的上方继续沉积5nm的Cr保护层。而核心膜层(M1/I1/M2)中的单晶NaCl(001)绝缘层II由金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法制成。上述磁性多层膜的生长条件备底真空5xl0—7Pa;溅射用高纯度氩气气压0.07Pa;溅射功率120W;样品架旋转速率20rmp;生长温度室温；生长速率0.030.11nm7sec;生长时间薄膜厚度/生长速率；在沉积反铁磁钉扎层、核心膜层的各个磁性层时，施加1000e的平面诱导磁场，因此磁性层M1的Co-Fe-B由反铁磁性钉扎层PtCr固定，磁性层M2的Co-Fe-B的磁化方向是相对自由的。沉积好的磁性多层膜采用现有技术中的微加工技术，即首先经过涂胶、前烘，再在电子束曝光机上，根据所需的图形对薄膜样品进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜刻成所需图形，最后用去胶剂浸泡进行去胶。然后在此刻蚀成形的多层膜结构上，利用常规的薄膜生长手段，例如磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积、气相化学反应沉积等，沉积一层130nm厚的SiO2绝缘层，将各多层膜进行掩埋并且相互隔离，采用现有技术中的微加工技术进行刻蚀，即首先在聚焦离子束设备上定位到沉积有多层膜的位置，接着利用聚焦离子束刻蚀方法对Si02绝缘层进行刻蚀，使得绝缘层下掩埋的磁性多层膜暴露。最后利用金属掩膜方法通过高真空磁控溅射设备沉积一层厚度为200nm的导电层Au(顶部电极)，即得到本发明的单晶NaCl(001)单势垒势垒磁性隧道结。本实施例的单晶NaCl(001)单势垒磁性隧道结其磁电阻效应与实施例1相似，通过改变隧道结所受到的外磁场，结电阻在反平行状态时(AP)相对平行状态(P态)较大。因此可以得到室温非常高的隧穿磁电阻比值(大于200%)。实施例6、利用金属有机化学气相沉积方法制备单晶NaCl(001)双势垒磁性隧道结首先利用常规的薄膜生长手段，例如磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积、电化学沉积、分子束外延等，在经过常规方法清洗的GaAs材料衬底上依次沉积厚度为15nm的下部缓冲导电层Ta;10nm的反铁磁性钉扎层PtCr;以及5层结构的双势垒核心膜层(M1/I1/M2/I2/M3)中的3个磁性层——Co-Fe-B(20nm)、Co-Fe-B(5nm)和Co-Fe-B(20nm);在核心膜层的上方继续沉积10nm的反铁磁性钉扎层PtCr和顶部5nm的Cr保护层。而3层结构的核心膜层(Ml/I/M2)和5层结构核心膜层(M1/I1/M2/I2/M3)中的单晶NaCl(001)绝缘层II和12由金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法制成。上述磁性多层膜的生长条件备底真空5x10—7Pa;溅射用高纯度氩气气压0.07Pa;溅射功率120W;样品架旋转速率20rmp;生长温度室温；生长速率0.030.11nm/sec;生长时间薄膜厚度/生长速率；在沉积反铁磁钉扎层、核心膜层的各个磁性层时，施加lOOOe的平面诱导磁场，因此磁性层Ml和M3中的Co-Fe-B由反铁磁性钉扎层PtCr固定成同一磁化方向，而磁性层M2的Co-Fe-B的磁化方向是相对自由的。沉积好的磁性多层膜采用现有技术中的微加工技术，即首先经过涂胶、前烘，再在电子束曝光机上，根据所需的图形对薄膜样品进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁性多层膜刻成所需图形，最后用去胶剂浸泡进行去胶。然后在此刻蚀成形的多层膜结构上，利用常规的薄膜生长手段，例如磁控溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积、气相化学反应沉积等，沉积一层130nm厚的SiO2绝缘层，将各多层膜进行掩埋并且相互隔离，采用现有技术中的微加工技术进行刻蚀，即首先在聚焦离子束设备上定位到沉积有多层膜的位置，接着利用聚焦离子束刻蚀方法对Si02绝缘层进行刻蚀，使得绝缘层下掩埋的磁性多层膜暴露。最后利用金属掩膜方法通过高真空磁控溅射设备沉积一层厚度为200nm的导电层Au(顶部电极)，即得到本发明的单晶NaCl(001)双势垒磁性隧道结。本实施例的单晶NaCl(001)双势垒磁性隧道结其磁电阻效应与实施例2相似，通过改变隧道结所受到的外磁场，结电阻在反平行状态时(AP)相对平行状态(P态)较大。因此可以得到室温非常高的隧穿磁电阻比值(大于200%)。实施例712、按照实施例1相同的方法制备单晶NaCl(001)单势垒磁性隧道结，核心膜层中的NaCl(001)势垒层Il通过单晶NaCl耙材直接溅射形成。其多层膜的各层材料和厚度列于表1中。表l、本发明的单晶NaCl(001)单势垒磁性隧道结多层膜的结构(单位nm-纳米)<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>实施例1318、按照实施例2相同的方法制备单晶NaCl(001)双势垒磁性隧道结，核心膜层中的NaCl(001)势垒层II和12通过单晶NaCl靶材直接溅射形成。其多层膜的各层材料和厚度列于表2中。表2、本发明的单晶NaCl(001)双势垒磁性隧道结多层膜的结构(单位nm-纳米)<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>实施例1924、按照实施例3相同的方法制备单晶NaCl(001)单势垒磁性隧道结，核心膜层中的NaCl(001)势垒层II通过分子束外延方法形成。其多层膜的各层材料和厚度列于表3中。表3、本发明的单晶NaCl(001)势垒单磁性隧道结多层膜的结构(单位nm-纳米)<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>实施例3742、按照实施例6相同的方法制备单晶NaCl(001)双势垒磁性隧道结，核心膜层中的单晶NaCl(001)绝缘层II和12由金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法制成。其多层膜的各层材料和厚度列于表6中。表3、本发明的单晶NaCl(001)双势垒磁性隧道结多层膜的结构(单位nm-纳<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table>权利要求1、一种单晶NaCl势垒磁性隧道结，其特征在于其包括的核心膜层中的隧道结势垒层为NaCl(001)单晶绝缘材料组成。2、如权利要求l所述的单晶NaCl势垒磁性隧道结，其特征在于隧道结是单势垒的，该单势垒的隧道结包括一衬底，及其上的下部缓冲导电层、下部反铁磁性钉扎层、核心膜层、顶部保护层和导电层，其核心膜层从下至上包括第一磁性层、势垒层以及第二磁性层；第一磁性层的磁化方向由下部的反铁磁性钉扎层钉扎，第二磁性层的磁化方向是自由的，随外加磁场而发生改变，与第一磁性层的磁化方向相同或者相反，形成单势垒隧道结的包括平行P态和反平行AP态在内的2种磁电阻状态。3、如权利要求2所述的单晶NaCl势垒磁性隧道结，其特征在于所述的隧道势垒层由NaCl(001)单晶绝缘材料组成，该层的厚度为0.55.0nm。4、如权利要求2所述的单晶NaCl势垒磁性隧道结，其特征在于所述的第一磁性层和第二磁性层由铁磁性材料、半金属磁性材料、或者磁性半导体材料组成，所述的第一磁性层的厚度和第二磁性层的厚度为150nm。5、如权利要求4所述的单晶NaCl势垒磁性隧道结，其特征在于所述的铁磁性金属材料包括3d过渡族磁性单质金属，稀土单质金属，或铁磁性合金Co-Fe、Co-Fe-B、Co-Fe-Si-B、Ni-Fe、Gd-Y;所述的半金属磁性材料包括Fe304、Cr02、LaxSivxMn03或Co2MnSi;所述的磁性半导体材料包括Fe、Co、Ni、V、Mn掺杂的ZnO、Ti02、Hf02或Sn02，或是Mn掺杂的GaAs、InAs、GaN和ZnTe。6、如权利要求l所述的单晶NaCl势垒磁性隧道结，其特征在于隧道结是是双势垒的，该双势垒的磁性隧道结包括一衬底，及其上的下部缓冲导电层、下部反铁磁性钉扎层、核心膜层、上部反铁磁性钉扎层、顶部保护层和导电层，其核心膜层从下至上包括第一磁性层、第一势垒层、第二磁性层、第二势垒层以及第三磁性层；第一磁性层和第三磁性层的磁化方向由下部和上部反铁磁性钉扎层钉扎成同一个方向；而第二磁性层的磁化方向是自由的，随外加磁场而发生改变，与第一磁性层和第三磁性层的磁化方向相同或者相反，形成双势垒隧道结的包括平行P态和反平行AP态在内的2种磁电阻状态。7、如权利要求6所述的单晶NaCl势垒磁性隧道结，其特征在于所述的第一势垒层和第二势垒层由NaCl(001)单晶绝缘材料组成，两层的厚度分别为0.55.0nm。8、如权利要求6所述的单晶NaCl势垒磁性隧道结，其特征在于所述的第一、第二和第三磁性层由铁磁性材料、半金属磁性材料、或者磁性半导体材料组成，所述的第一和第三磁性层的厚度为150nm;所述的第二磁性层M2的厚度为0.525nm。9、如权利要求8所述的单晶NaCl势垒磁性隧道结，其特征在于所述的铁磁性金属材料包括3d过渡族磁性单质金属，稀土单质金属，或铁磁性合金Co-Fe、Co-Fe-B、Co-Fe-Si-B、Ni-Fe、Gd-Y;所述的半金属磁性材料包括Fe304、Cr02、LaxSr1-xMnO3或Co2MnSi;所述的磁性半导体材料包括Fe、Co、Ni、V、Mn掺杂的ZnO、Ti02、Hf02或Sn02，或是Mn掺杂的GaAs、InAs、GaN和ZnTe。10、权利要求1至9中任一所述的单晶NaCl势垒磁性隧道结在自旋电子器件中的应用，其可用于磁敏、电敏、光敏和气敏传感器、磁性随机存取存储器存储单元、磁逻辑器件单元或自旋晶体管。全文摘要本发明涉及一种单晶NaCl势垒磁性隧道结，其包括的核心膜层中的隧道结势垒层为NaCl(001)单晶绝缘材料组成。该隧道结可以是单势垒的，也可以是双势垒的。本发明提供的单晶NaCl(001)磁性隧道结可以应用于新型自旋电子器件设计，例如可用于高灵敏度的磁敏、电敏、光敏和气敏传感器、磁性随机存取存储器(MRAM)存储单元、磁逻辑、或自旋晶体管等器件单元。本发明采用单晶NaCl(001)作为磁性隧道结的中间势垒层，在有效提高隧道结隧穿磁电阻比值的同时能够得到较小的结电阻，并且降低了器件应用上的功耗。同时单晶NaCl(001)势垒材料的制备工艺简单，成本更加低廉，同时还是资源丰富和环境友好的材料。文档编号H01L43/08GK101393963SQ200710122198公开日2009年3月25日申请日期2007年9月21日优先权日2007年9月21日发明者张晓光,琰王,韩秀峰申请人:中国科学院物理研究所