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在磁隧道結(jié)（MTJ s）中，TMR效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理是自旋相關(guān)的隧穿效應(yīng)。MTJ s的一般結(jié)構(gòu)為鐵磁層 /非磁絕緣層 / 鐵磁層( FM / I/FM)的三明治結(jié)構(gòu)。飽和磁化時(shí)，兩鐵磁層的磁化方向互相平行，而通常兩鐵磁層的矯頑力不同，因此反向磁化時(shí)，矯頑力小的鐵磁層磁化矢量首先翻轉(zhuǎn)，使得兩鐵磁層的磁化方向變成反平行。電子從一個(gè)磁性層隧穿到另一個(gè)磁性層的隧穿幾率與兩磁性層的磁化方向有關(guān)。

                   (a) 兩鐵磁層平行排列                                   (b) 兩鐵磁層反平行排列

如圖1所示,若兩層磁化方向互相平行，則在一個(gè)磁性層中，多數(shù)自旋子帶的電子將進(jìn)入另一磁性層中多數(shù)自旋子帶的空態(tài)，少數(shù)自旋子帶的電子也將進(jìn)入另一磁性層中少數(shù)自旋子帶的空態(tài)，總的隧穿電流較大；若兩磁性層的磁化方向反平行，情況則剛好相反，即在一個(gè)磁性層中，多數(shù)自旋子帶的電子將進(jìn)入另一磁性層中少數(shù)自旋子帶的空態(tài),而少數(shù)自旋子帶的電子也將進(jìn)入另一磁性層中多數(shù)自旋子帶的空態(tài),這種狀態(tài)的隧穿電流比較小。因此,隧穿電導(dǎo)隨著兩鐵磁層磁化方向的改變而變化，磁化矢量平行時(shí)的電導(dǎo)高于反平行時(shí)的電導(dǎo)。通過施加外磁場可以改變兩鐵磁層的磁化方向，從而使得隧穿電阻發(fā)生變化，導(dǎo)致TMR效應(yīng)的出現(xiàn)。MTJ s中兩鐵磁層電極的自旋極化率定義為：

                                                                                                （1）

式中N↑和N↓分別為鐵磁金屬費(fèi)米面處自旋向上和自旋向下電子的態(tài)密度。

由Julliere模型可以得到

                                                    （2）

或者

                                            （3）

式中RP、RA 分別為兩鐵磁層磁化方向平行和反平行時(shí)的隧穿電阻, P1 , P2 分別為兩鐵磁層電極的自旋極化率。顯然，如果P1 和P2 均不為零，則MTJ s中存在TMR效應(yīng), 且兩鐵磁層電極的自旋極化率越大，TMR值也越高。

在文獻(xiàn)報(bào)道中,不同的學(xué)者對TMR值的定義不同，有的學(xué)者采用( 2)式的定義，但最近幾年，大部分學(xué)者都采用(3)式的定義。