（凝聚态物理专业论文）铁磁半金属隧道结中的自旋极化输运.pdf

瞿婧：铁磁半金属隧道结中的自旋极化输运 中文摘要 近年来，随着纳米技术的应用和发展，自旋电子学成为飞速发展的前沿学科 领域之一，它是以研究介观和微观尺度范围内自旋极化电子的输运特性( 包括自旋 极化、自旋相关的散射与自旋弛豫等) 以及基于它的这些独特性质而设计、开发与 应用的一门新的交叉学科。其中，自旋极化电子的输运问题已经成为当前凝聚态 领域中的热门课题之一。本文就铁磁半金属隧道结中的自旋极化输运和隧道磁电 阻效应的一些问题作了理论研究。 本论文首先简要介绍了磁电阻效应的一些背景知识；研究隧道磁电阻中常用 的模型和相对应的计算方法：j u l l i e r e 模型和隧道哈密顿方法，s l o n c z e w s l 【i 模型和 量子力学的隧穿方法，并对两种理论方法作出了比较。 然后，我们研究了一个二维铁磁层半金属层铁磁层隧道结，即f m h m f m 中 的自旋极化输运问题，在这个隧道结中添加一个半金属层是为了提高传输电子的 自旋极化率。可以发现电子的遂穿系数都表现出共振隧穿特性。随着半金属层中 的势垒高度，厚度和自旋劈裂能差值的增加，巩i 和振荡逐渐加快，但昂t t 没有 变化。此外，当半金属层的的势垒高度和自旋劈裂能差值的取值增加时，t m r 的 值有明显的增大。可见，在半金属层中，除了交换劈裂能对隧道结的透射系数和 隧穿磁电阻有很大的影响之外，半金属层的晶体结构、键的性质等对能隙的影响( 文 中用半金属层势垒高度来模拟) 也不可忽视，半金属材料对提高隧道结的磁电阻是 十分有利的。 最后我们考虑了一个双隧道结结构，在f m i i f m 结中插入了一个半金属层， 将自旋极化度很高的电子注入基本的隧道结中，得到了铁磁半金属双隧道结。并 采用散射方法，即量子力学的隧穿方法讨论这个隧道结中的隧穿共振和删r 等问 题。结果表明铁磁半金属双隧道结与简单的铁磁半金属隧道结的遂穿系数有着类 似的特性，例如共振遂穿等。但添加了绝缘层之后的隧道结电子透射系数的共振 峰波宽变窄。并且绝缘层对隧穿磁电阻的作用也是不可忽视的，随着绝缘层势垒 高度v 的增加，啊r 所能达到的极值的绝对值也在变大。说明在绝缘层和半金属 层的共同作用下，隧道结的自旋过滤作用更为明显；当绝缘层势垒1 ，半金属层的 l l扬州大学硕士学位论文 厚度4 ，势垒高度”和自旋劈裂能叫一m t 的取值合适时，可以得到我们所需要的 踟i 值。我们希望自己所做的研究工作可能为磁电阻元件的研制提供一些有价值 的理论参考资料，并有助于进一步研究电子隧穿效应这一量子力学的基本问题。 关键词：半金属磁性材料；双隧道结；隧道磁电阻( t m r ) 效应；透射系数 瞿婧：铁磁半金属隧道结中的自旋极化输运 a b s t r a c t r e c e n n y w i mt l l e 印p l i c a t i o na r l dd e 、r e l o p m e l l to f t 1 1 en a n o - t e c m l o l o g y ，s p i l l 仃0 i l i c s h 勰b e c o i n eaf a s td e v e i o p i i l g 鲫c a i ti sar u e wc r o s s - f i e l db 鹤e do nm e 吣o f m e s 0 s c 0 i p i c 锄dm i c r o s c a l em g eo fs p i i l l p o l a d z e de l 。c 仃d n 的璐p o r tp r o p e n i 髓 ( i n c l u d i n gs p 抽p o l 撕z a t i o 玛s p i l ls c a t t e 血l g 狃ds p i nr e l a ) 【a t i o n ，e t c ) 1 h es p i l l 一p o l 撕z e d 呦s p o r to fe l e c 缸1 0 1 1 sh a sb e c o m eo n eo f 吐l ei n l p 0 胁ta s p e c to fc 0 n d e i l s e dm a t t e r p _ h y s i c s i nt h i sd i s s 咖t i o 玛w e 咖d ym es p i i l l 砷l a r i z e dt r a 哪p o 枷0 n 锄dt l l e r m r e 脑c ti nm ef e r m a 印e t h a l f m e t a lt u 皿e lj u n c t i o n s w b 丘r s ti n 缸。o d u c e l eb a c k g r o l l i l do ft 1 1 et u i m e l i i l gm a g n e t o r e s i s t 觚c ce 虢c t ；t 1 1 e 1 1 t 、o 枷l i a r 廿1 e o 硎c a lm o d e l sa n dm e i rc a l c u l a t e dm e l l l o d s 盯ep r 韶e i l t e d s u c h 雒 j u l l i e r em o d e l 锄d l et 眦m e l 访gh 骶【l i l t o i l i 锄m e l l l o d ，s 1 0 n c z e w s k im o d e l 觚dm e q 啪删砌一m e c h 枷c a lt u n n e l m gm e t l l o d f 0 1 1 0 w i n 吕 w e s t u d ym es p i n p o l a r i z e dn 锄s p o r t a t i o ni nm ef 孤m a g n e t h a l f - m e t a lt u 仰e lj u n c t i o n ，h e r e a d d i n g t 1 1 eh a l f m e t a l l a y e ri s t oe i l h a n c et 1 1 e p o l 撕z a t i o no fe l e c 劬n s ni sf o u l l dm a t l e 蛐s i l l i s s i o nc o e f j i c i 锄t so fs p i i l u pa 1 1 d s p i i l - d o w ne l e c 昀n ss h o wt ) r p i c a lr 懿o n a i l t i s s i o n 舯d p e n i e s m o r a d v w r h 朗m e s 缸饥g t h o fp o t 锄t i a lb 硎虹c l ( 1 1 e s sa n dn l e s p l i te n e 哟，b e 魄e 翱s p n u pa i l d s p n d 0 、釉s u b b 锄do fh a l f m e t a ll a y e r 砥滩a s e ，t 1 1 e 昂ua n d 死po s c i l l a t em o r e m p i d l yw 1 1 i l em e 研ti sn e a l l y 讪耐a b i l i 劬趾d l en 偶e 行e c to f 也cj u n c t i o na l s o i i i l l ) r o v c d s ot 1 1 em f m e t a ll a y 贫a p p l i e di sv e 巧u s e 如lt oe n l l 锄c e l et m re f r e c t a tl a s t ，ad o u b l et l m n e lj u n c t i o nb 试1 tb y 廿l ef e r r o m a 朗吼1 1 a l f 仰e t a l ，w r h e r eh i 曲 d e g r e 铝o fs p m p o l 撕z e de l e c 缸0 1 1 i c sa r ei i l j e c t e di 1 i t o l eb a s i cj u n c t i o 璐b y 曲s 幽ga h a l f m e t a ll a y e ri i l l ef m i i f mj u i l c t i o i l h a v eb e i i e s t i g a t e d w ed i s c u s st l l e f 懿o n 锄tt u 彻e l i n ga n dt l l et m re 疏c ti n l ej u l l 砸o nb yas c a t t e ra p p r o a c hc a l l e d q u 龇血l m - m e c 妇a 1 1 i c a la p p r o a c l l t h er e s u l t ss h o wm a t l e 垃m s i i l i s s i o nc o e m c i t si n 伍e 觚m 雒田e t i ch a l s m e t 硼d 0 曲l et t l n n e lj u n c t i o nh 弱s i l l l i l a rc h a r a c t 耐s t i c sa st h a ti n s i m p l e 佗r r o m a 印e t i c h a l b m e t a l咖e lj u i - c t i o 玛跚c h嬲r e s o n a n t 仃a n s i i l i s s i o n p p e r t i 鹤，e t c b u tm er e s 0 n a n tp e a l ( sb e c 0 m es h a 印贸w h t l l e 访s u l a t o rl a y 盯i sa d d e d m o r e 0 v e r w i - e nt l l es 呦g t l lo fp o t e n t i a lb 硎e ri ni i l s u l a 幻ri i l c r e 部岱，t l l em a x i l i l u m v a l u eo ft m rb e c o m e sl a r g e r ，t l l e n l es p i i l - 6 l t e r i n ge 行e c tb e c o m em o r c0 b v i o u s s o 扬州大学硕士学位论文 w ec 雒g e tt l l en d e dt m rb y s e l e c t i n g s u i t a b l e m 雄皿鲥cp a r 锄e t e r 向r 鼢a g n 砒a l h n e t a lt u 】n i l e lj l l l l c t i o n s c 腑a b o v ew o r ki se x p e c t e dt 0b eh e l p f b lf o r m ed e v e l o p 证go fn e wm a g n e t o r e s i s t a n c ed e v i c e s 龇l d 血er 器e a r c hd b o u tm e t l l l l i l e l i l l g e 伍e c t 证q u 卸t l l mm e c h 砌c s 1 ( e y w o r d s ：h a l f m e t a l m a 印e t i cm a t 甜a l ； d o u b l et l l i l r l e l j u n c t i o r 璐；t 眦m e l i n g m a g n e t o r e s i s t a n c e ( t m r ) e f f 融；仃a i l s m i s s i o nc o e 筒c i 饥t 瞿婧：铁磁半金属隧道结中的自旋极化输运竺 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研 究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表 的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 签字日期： 卵年乡月多日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。 本人授权扬州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学 技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 靴敝作者躲槲 导师签名：寸钇1 囝 签字魄卅年多月；日 签字日期： 哆年占月彤 日 瞿婧：铁磁半金属隧道结中的自旋极化输运 三 第一章绪论 1 1 引言 早在上世纪7 0 年代，1 m r o w 和m e s e r v e y l 在“b c s 超导体非磁绝缘体铁磁 金属”隧道结中实验证明了铁磁金属中的自旋极化现象。此后不久，叫l i e r e 2 在f e ， g e c o 磁性隧道结中发现隧穿电导的大小与f e 层和c o 层中磁化强度的相对方向 有关，4 2k 下其隧穿磁电阻砷氓为1 4 。由于受各方面条件所限，所制得的磁 性隧道结室温磁电阻较低( t m r 1 ) ，此后一些科学家对磁性隧道结进行了多方 面的研究，但十多年来均无重要突破。随着生产工艺的改进，以及理论研究的不 断深入，t m r 效应的研究在徘徊了2 0 年以后开始有了突破性的进展。1 9 9 5 年 m i y a z a l ( i 3 ，4 及其合作者在f e a 1 2 0 3 f e 中观察到了室温下1 5 6 的t m r 。此后对具 有高t m r 的磁性隧道结的研究重新成为人们高度关注的焦点。随后，m o o d e m 及 其合作者5 利用低温沉积薄膜技术，在其制备的c o f e a 1 2 0 3 c o 隧道结中取得了室 温下为1 8 的t m r ，低温4 2k 时高达2 5 6 的并且可以重复的结果。接着又在 c o f e a 1 2 0 3 n i f e 结中获得了在2 9 5k 和7 7k 下分别为2 0 2 和2 7 1 的t m r 6 。 虽然磁性隧道结的制备工艺较为复杂，但磁性隧道结具有高的磁电阻比值及 相似的翻转磁场，因而可以有很大的灵敏度，且有内阻高、功耗低、输出电压高 等特点，具有很大的应用前景。由于只有具有室温高眦、低结电阻和低自由层 偏转场的磁性隧道结，才能适用于计算机磁读出头7 ，8 一、磁动态随机存储器 ( m a 印e t i cr 锄d o m a c c e s sm e m o 巧，m r 伽旧1 0 和其他磁敏感器件方面，比如用于硬 盘驱动器磁读出头的磁性隧道结材料一般要求达到聊r 2 0 ，用于m ra m 的磁 性隧道结材料一般要求达到t m r 3 0 ，制备出具有室温高t m r 的磁性隧道结， 使得将t m r 效应应用到实际中成为可能。近几年已经有报道利用自旋电子基本器 件单元自旋阀( s p i i l v a l v e ) 和磁隧道结( m t j s ) 制成只读磁头、巨磁电阻( g i 锄t m a g n e t o r e s i s t 觚c e ，g m r ) 隔离器以及计算机用r a m ( r a i l d o ma c c e s sm 即聊存储 单元等器件，m o t o r o l a 公司最近宣布利用m t j s 制成2 5 6k b 的存储芯片，向实用 化的自旋电子器件迈进了一大步。 2扬州大学硕士学位论文 1 2 磁电阻( m r ) 效应 早在1 9 2 2 年，l i l i e i l f e l d 就观测到了电子从金属到真空的隧穿现象。所谓隧穿， 就是电子隧穿势垒的简称，指当电子从势垒的一边入射时，即使它们不具有足够 的动能从势垒项部翻越过势垒，它们仍然能够在势垒入射的一边消失而在势垒的 另一边出现的现象。从量子理论上看，这是由于微观粒子具有波动性，并且要出 现隧穿现象，通常要求势垒的宽度大致上与微观粒子的德布罗意波长相当。对电 子隧穿效应的研究，一直以来引起了大批学者的兴趣，而磁性隧道结中的电子隧 穿输运现象更是近年来人们关注的热点。众所周知，电子既是电荷的负载体，同 时又是自旋的负载体，通常电子在输运过程中由于碰撞而导致自旋磁矩在空间的 取向是混乱的，因此在宏观输运性质中仅需考虑电子具有电荷就足够了，然而当 电子通过与电子平均自由路程相当的纳米铁磁薄膜时，自旋磁矩的取向与薄膜磁化 方向相一致的电子较易通过，自旋磁矩的取向与薄膜磁化方向不一致的电子难以通 过，从而导致电子自旋极化效应。用能带理论解释铁磁薄膜中的自旋极化效应，则 可知这主要是由于铁磁性金属如f e 、c o 、n i 等，其外层电子为3 d 和4 s 电子，非 局域的4 s 电子和局域的3 d 电子都有自旋向上和自旋向下两种状态，由于交换相互 作用，自旋向上和自旋向下的两个子带发生相对位移，相对各自的带底，一个次 能带的费米面上升，另一个次能带的费米面下降。如图1 1 所示，较低的子能带在 费米面以下部分被自旋向上的电子填充，而较高的子能带在费米面以下被自旋向 下电子填充，两者的差别使得金属原子带有磁矩。众所周知，导电的s 电子将受到 原子磁矩的散射。如果自旋向上的s 电子和自旋向下的s 电子所受的原子磁矩散射 出现差别，则系统对两者输运表现出的电阻将不同，从而出现自旋极化输运，并 导致磁电阻效应。 近年来凝聚态体系中电子的自旋极化行为引起了人们极大的研究热情1 1 ，1 2 ，1 3 ，1 4 ， 1 5 ，这一方面是因为其中有丰富的物理内涵，另一方面是具有潜在的十分广阔的器 件应用前景。科学家们预期可制成高极化度的电子束制作高效的光子发射器、自 旋记忆装置、自旋晶体管及自旋量子计算机1 4 。最近美国e 大学和i b m 实验室 的科研人员研究指出：在未来半导体器件的设计和应用中电子的自旋所起的作用 瞿婧：铁磁半金属隧道结中的自旋极化输运三 将和当代器件中电子电荷所起的作用一样重要。据此他们还提出全新的自旋电子 学( s p i i 岣n i c s ) 概念。 厂弋 厂￥ 厂、 v 厂 ( 曩)彻 图1 一l 普通金属和铁磁金属能态密度示意图 磁电阻( m a 印e t o r e s i s t 锄c e ，m r ) 效应是指由外磁场h 改变引起的导电材料中 电阻率p 变化的现象1 6 ，1 7 ，1 8 。其变化大小可定量表示为 m r 导p p 1 0 0 = 【p ( h ) 一p ( 0 ) 】p 1 0 0 ( 1 一1 ) 式中p ( o ) 和p ( h ) 分别表示材料在无外磁场和外磁场为h 时的电阻率，p 可是p ( 0 ) 或p ( h ) ，当为p ( 0 ) 时，m r 值最大为1 0 0 ；当为p ( h ) 时，m r 可以超过1 0 0 。 p o 时称为正的m r ，表示h 增大后，p 增大；p ，本征能量 分别为占加，占坩，盯是电子的自旋。隧道哈密顿通常可以写作 日r = 巩蠢d + 死。瓦】 ( 2 1 3 ) 其中c 和d 分别是左边和右边的准粒子消灭算符，k 和q 分别是它们的动量，仃和 盯分别是对应的自旋指标。如果不考虑隧穿过程中的自旋反转，则要求盯= 盯。 在没有能量发射和吸收时，隧道哈密顿具有时间反演对称性，有 丁帆叩2r 岫， ( 2 1 4 ) 因此，系统总的哈密顿量为 日= 日l + 日2 + 日r( 2 1 5 ) 当外加电压不大时，由于参加隧穿的都是费米面附近的电子，可以近似认为舻与 k q 无关，如果认为隧道矩阵元l 对于两种自旋方向是对称的，我们就可以用它们 的平均值t 来代替。如果不考虑自旋反转，那么我们同样可以采用两电流模型。 依据含时微扰理论，得到总的电流，= ，t + l ，其中 l = 孚盯删小) 2 盯( 计 雕) 叫占+ 】 ( 2 1 6 ) 这里l 。0 ) ，2 ，p + p y ) 是费米面上的态密度。在温度不太高的情况下，系统的 电流变为 l = 竿帆触既( o ) ( 2 1 7 ) 如果定义有效电子极化率为 2 4 扬州大学硕士学位论文 p = 揣 ( 2 1 8 ) t ( o ) + m ( o ) 、7 那么就很容易得到j u l l i e r e 的t m r 公式。 从上面的分析我们可以看出，j u l l i e r e 公式只是在温度不高，外加电场不太大 时所做的近似才可以成立。如果做更加严密的处理，我们必须要考虑电子在跃迁 时非弹性碰撞过程，杂质散射所造成的自旋翻转，电声子互作用，以及电子和铁 磁自旋波量子的互相作用等过程。顾若愚等人推广了这个隧道哈密顿方法，考虑 了杂质散射时所造成的自旋反转，更较合理地说明了实验。 2 2 4 量子力学的隧穿方法( 散射方法) 理论上研究隧道磁阻地另一种方法是1 9 8 9 年s 1 0 n c z e w s k i 提出的所谓的散射方 法，即我们称之为量子力学的隧穿方法。在这种方法中，他通过自旋极化的自由 电子模型模拟两边的铁磁金属，并用一方形势垒描述中间绝缘层，再依据量子力 学的薛定谔方程给出入射波函数、反射波函数和透射波函数的形式后，保持隧穿 前后电子的能量和平行动量守恒，使用隧穿方法计算出极化电流和t m r 。 我们就一个最简单的隧道结f m i f m 来介绍这一方法7 。利用s l o n c z e w s l ( i 模 型，假设f m i 层面平行于x y 平面，电子隧穿沿着z 方向。在铁磁体中，由于交 换能的存在，自旋向上的子能带和自旋向下的子能带被劈裂了，它们的能带底高 度相差为。对于z = o 处的绝缘层我们可以用6 型势垒来描述。这时，系统的单 电子哈密顿可以描述为 日= 一嘉等+ 嘶h ( z ) 盯 ( 2 1 9 ) 式中，等号右边各项分别是电子的动能项，势能项和铁磁体的交换能，这里h ( z ) 是分子场，在左右铁磁体中，它们的大小相同，例= 2 ，方向相差一个角度o ， o 是泡利自旋矩阵。在铁磁体中，我们定义自旋向上为主要载流子自旋方向，自 旋相关的电子色散关系为 壳2 后+ 2壳2 七l 2 目= ，日= + ( 2 2 0 ) 2 肌 + 2 朋 、 7 这里的k 是自旋为s 的电子波矢。考虑一个自旋向上的电子从左侧入射，它除了 瞿婧：铁磁半金属隧道结中的自旋极化输运 会引起自旋向上的电子反射波外，还会严生目旋同卜的电子反射波，这是由于左 右两侧的铁磁体局域磁化方向并不一致，造成了自旋量子化轴的旋转所引起的。 同样，在右侧也会产生自旋朝上和自旋朝下的两列透射波，因此左右两侧的波函 数可以分别表示为 、壬- c z ，= ( 三) p 业t 。+ r ，( 三) e 一脚2 + 月。( ? ) p 一唧。 c 2 2 ， 和 喇= c t 咿m ( o ) e 即 亿2 2 ， 系数r s 和c 。需要通过在z = o 处的波函数及其导数的匹配条件来确定 甲一( o ) = 于( 秒) 匕( o ) ( 2 2 3 ) 和 警l + 等吲旷如，警l 亿2 4 ， 这里，o 是两边铁磁层磁化方向之间的夹角，于( 乡) 是在自旋空间中的量子坐标轴 变换矩阵，由下式给出 于：f 呷名左面n 黧1 ( 2 2 5 ) 丁= ll( 2 2 5 ) i s i l l p 2c o s p 2j 、7 解出透射系数c t 和q ，从而可获得自旋向上电子入射的透射率珥t = i c t l 2 和 耳 = i q l 2 h “。同样，可得到自旋向下电子入射的透射率。对于最简单的一维 情况，隧穿电流的表达式可以写成 工= p ；尊朋) 叫e + 风v ， ( 2 2 6 ) 当隧道结处于小偏置电压时 工= 舞帆】 ( 2 2 7 ) 扬州大学硕士学位论文 2 3 半金属铁磁体 在半金属铁磁体是1 9 8 3 年荷兰n i j m e g 大学的d em o t 8 等人首次发现的， 他们在对半霍伊斯勒( s 锄i h e u s l 们合金n i m n s b 和p t m n s b 做能带计算时，得到了 一种特殊的能带结构，于是d em o t 等人把具有这种能带结构的物质称为半金属 o l a l f m e t a l l i c ) 铁磁体。 如图2 2 所示这种物质同一般的铁磁体一样，具有两个不同的自旋子能带，但有 意思的是，其中一个自旋向上的子能带( 也称为多数自旋的子能带：m 萄o r i t y s p i n ) 在 费米面上有传导电子，具有金属性；而另一个自旋向下的子能带( 也称为少数自旋的 子能带：m i n o r i t y - s p i n ) 具有绝缘性或半导体性。 瞄 厂 j ，、 、 7 ， r ， 1 ， i i 南 曩 广叫争 l ， r f j ；一 ， 簪!；f j 0 矿一 ， 0j 一 、_ k 督一 每 f 、 l o 、。 鎏 j ；匠 r 一一；? 一t 、i _ ，。1 丫歹 - 歹| i i 交 、 3 、叫 ? 7 l _ i 、 一ql ii i 工口暑 i rx 5 u 哥oirlz 0 k rx su 弓i 图2 1n i m n s b 的能带结构：左图代表m 旬耐妒s p i n 的子能带， 右图代表m i n 耐咿s p i n 的子能带。 需要指出的是，这里所说的“半金属”m f m e t a l ) 并非传统意义上的半金属， 传统的半金属是一种由于导带与价带有少量交叠( 负带隙宽度) 或导带底与价带顶 具有相同能量( 零带隙宽度) ，而使其宏观输运性质介于典型的金属与半导体之间的 半金属( s e m i m e t a l ) 。与此相反，d ec 衲o t 命名的这种半金属在宏观上通常表现为具 有金属性的磁性化合物，但是在晶体结构、键的性质以及较大的交换劈裂等因素 的共同影响下，其能隙恰好只在一个自旋方向的子能带( 通常为自旋向下子能带) 中打开，从而实现了金属性与绝缘性在微观尺度下的共存。为了区分这两个不同 的概念，我们把这种新的半金属称为“半金属铁磁体 。 瞿婧：铁磁半金属隧道结中的自旋极化输运 特殊的能带结构使得半金属铁磁体除了具备铁磁体的共性之外，还有着一些 特殊的性质： ( 1 ) 传导电子的完全自旋极化，即传导电子的自旋极化率1 0 0 。因为，自旋极 化率的定义为： p ：掣荽熙 ( 2 2 8 )p5 可丽瓦画乙列j 其中，t 伍) 和m 陋) 分别为自旋向上和自旋向下的电子的态密度。对于半金 属铁磁体来说，由于费米能级上只存在一种自旋取向的电子，所以其传导电子的 自旋极化率为1 0 0 ，而一般的铁磁体的极化率只有1 0 到4 0 。 ( 2 ) 磁矩量子化9 ，即磁矩是玻尔磁矩pb 的整数倍。这是因为普通磁性金属的 自旋向上、向下两个能带都只被部分占据，平均每个原胞可容纳的电子数n + ，1 1 及 其差值都不是整数。但在半金属磁体中，自旋向下的子能带被占满，平均每个原 胞容纳的自旋向下的电子数密度n - 必为整数值，于是在另一个子能带中容纳的自 旋向上的电子数密度怖n ( n 为原胞中的价电子总数) 也是一个整数，最终导致平 均磁矩m = ( n + 一n o 为玻尔磁矩b 的整数倍。 ( 3 ) 由于半金属磁体中费米面上自旋向下的电子态密度为零，传导电子要改变 自旋方向跳到另一个子能带中( s t o n e r 激发) ，必须克服从费米面到自旋向下能带导 带底的能隙。若没有足够的能量，这样的自旋翻转就不会发生。这种在低温或低 场下对s t o n e r 激发的禁止也是半金属磁体的特征，它会对磁化强度、电阻等物理 量随外界条件的变化关系产生影响。以n i m n s b 为例，在低温时，它的磁化强度 m 与温度t 的关系满足 肘仃) ：m ( o ) r 1 一哆丁 ( 2 2 8 ) 与传统的海森伯磁体一致，只有当温度大于8 0k 时，其磁化强度才会表现出 一般的巡游铁磁体具有的温度效应1 0 。 1 9 7 5 年，j u l l i e 他首先提出了关于隧道磁电阻效应( t m r ) 的理论解释，他指出 在低温和零偏压下隧穿磁电阻的大小近似等于两个铁磁电极中电子在f e 力 i l i 面上 的自旋极化度的乘积；输运电子的自旋极化度越大，磁电阻也越大。因而人们意 扬州大学硕士学位论文 识到，n 瓜与两边铁磁层的自旋极化率有关，将输运电子的自旋极化率提高是获 得大的t m r 的一种可行方法。于是，人们便朝着这个目标纷纷从实验上和理论上 对各种隧道结的n 瓜效应作出了大量的研究。 目前半导体自旋电子学技术上存在的一个关键性问题就是如何高效率地将极 化电子注入半导体材料中。理论上现已证明，从电阻率较小的铁磁材料向电阻率 较大地半导体材料中注入自旋极化电子的效率小于2 1 1 ，1 2 。电阻率失配和铁磁金 属不高的自旋电子极化率是导致自旋电子注入低效率1 3 的直接原因。如果以半金属 作为自旋电子注入材料，由于传导电子极化率为1 0 0 ，就有利于解决注入电阻不 匹配的问题1 4 。此外，半金属材料1 0 0 的电子极化率对于提高隧道结的眦是 十分有利的。 2 4 磁性双隧道结 为了获得更大的隧道磁电阻( t m r ) 以便于制造高性能的器件，人们提出了各种 各样的方法来提高输运电子的极化度，其中主要的有：将隧道结中的非磁绝缘层( i ) 换为铁磁绝缘层( f d ；选择本身具有大的自旋极化度的材料作电极，如m n 氧化物 这类具有1 0 0 自旋极化度的半金属材料；还有一类方法是在普通隧道结的基础之 上，构造成复杂的隧道结。 同时简单f 蝴m 隧道结在应用中也存在这遂穿磁电阻( t m r ) 值较小及其随 偏压的增加而单调下降等缺点，为了解决这一问题和满足从基础研究角度对自旋 极化电子遂穿( s p t ) 现象作进一步了解的需要，近年来对复杂隧道结的研究，如具 有f m i n m ( f m ) i f m ( n m 表示非磁金属) 结构的磁性双隧道结，引起了人们的普 遍关注，磁性双隧道结能将s p t 和共振遂穿联系起来，具有良好的应用前景。近 年来许多研究者的兴趣转向了磁隧道双结的研究，从理论上和实验上取得了一些 进展1 5 ，1 6 ，1 7 。 研究双自旋过滤磁性隧道结结构的文献很多是以s l o n c z e w s k i 自由电子模型为 基础，采用b 1 0 n d e r 等人嵋提出的绝缘势垒简化分析方法来进行理论处理的。这样 的处理简化了问题，突出了影响量子相干共振隧穿的主要因素，能很好地解释一 些实验的结果。 瞿婧：铁磁半金属隧道结中的自旋极化输运 2 5 本章小结 本章对隧道磁电阻效应从理论上做了较为系统全面的阐述。首先对铁磁层绝 缘层铁磁层一类隧道结中典型的非耦合型隧道磁电阻效应作了物理上的唯象解 释；然后简单分析了一下在隧道磁电阻效应的理论研究中较常用的两种理论模型 以及相对应的方法：j l l l l i e r e 模型和s 1 0 n c z e w s k i 模型，隧道哈密顿方法和量子力学 t 隧穿方法；最后重点介绍了通过提高自由电子的极化度来提高隧道结t m r 值的两 种方法：采用极化度高的半金属材料和构建复杂的隧道结。因此本论文研究了含 有半金属的两种隧道结：简单隧道结和磁性双隧道结。在研究方法的选择上，对 两种理论模型和方法进行比较，可以发现散射方法是一种微观方法，它使隧道结 两边的量子态严格地一一对应，电子在隧穿过程中除了保持能量守恒外，它们动 量的平行方向分量也保持不变，表现了清晰的微观图像，保留了反射、折射和全 反射等丰富的物理现象。因此，它更适合利用在处理绝缘层比较薄，界面比较光 滑，杂质散射较少的物理系统，这时载流子在通过隧道之后，仍然保留了部分动 量，相位等记忆，这被称为是相干的隧道过程。隧道哈密顿方法是一种唯象的方 法。只要求能量守恒，不涉及隧穿的具体过程和细节，电子隧穿前后的散射状态 没有任何关联，是非相干的隧道过程，它更适合于处理绝缘层较厚的系统。所以 本文采用的是s 1 0 n c z e w s k i 近自由电子模型和散射的方法。 参考文献 1 m j u l l i e r e ，p h y s l 瞰5 4 a ，2 2 5 ( 19 7 5 ) z r yg u ，d y n ga n dj d o n g ，a p p l p h y s ，8 0 ( 1 2 ) ，7 1 6 3 ( 1 9 9 6 ) j c s 1 0 n c z e w s k i ，p h y s r e v b 3 9 ，6 9 9 5 ( 19 8 9 ) n f m o 仕，a d v p h y s ，1 3 ，3 2 5 ( 1 9 6 4 ) 。 m i y a z a l 【it ，y a o it ，i s h i os jm a 鳃m a 伊m a t 盯，9 8 ，7 - 9 ( 1 9 9 1 ) oy a o i t ，i s l l i os ，m i y a z a l 【it ，jm a 伊m a 朗m a t 1 2 6 ，4 3 0 一4 3 2 ( 19 9 3 ) 7 s z l l 锄g a n dp m 【启嘿a p p l p h y s 7 3 ，5 3 1 5 ( 1 9 9 3 ) 6 r a d eg r o o t ，e ta l ，p h y s r e v l e t t ，5 0 ，2 0 2 4 ( 19 8 3 ) 3 0 堑型奎兰堡圭堂垡丝苎 二二一一。一 9 p i c k e t tw e ，m 0 0 妇js ，p h y s t 0 d a y ，5 4 ( 5 ) ，3 9 ( 2 0 0 1 ) l o h o m e q u i nc ，p i e 盯ej ，c 1 l r r a tr ，p h y s i c ab ，6 0 5 ，2 3 4 ( 1 9 9 7 ) 1 1 z l mhj r a n l s t e i l l e rm ，k o s t i a lh ，e ta 1 p 奶，s r e v l e t t ，8 7 ( 1 ) ，0 1 6 6 0 1 ( 2 0 0 1 ) 1 2 y a i l gm ，c a 0ch ，z l l 锄gs y ，e ta 1 c l 血1 p h y s l e t t 2 0 ( 1 0 ) ，1 8 4 8 ( 2 0 0 3 ) 1 3 s c h i i l i d tg ，f 删d ，m o l c n k a n 叩，e ta 1 p h ) ，s r e v b ，6 2 ( 8 ) ，4 7 9 0 ( 2 0 0 0 ) 1 4 s c h r n i d tg ，m o l e l l k a i n plw s 锄i c o r l d u 咖rs c i e n c ea n dt e 血l o l o g y 1 7 ，3 l0 ( 2 0 0 2 ) 1 5 j m a l l l 0 玛a u m e r s l 【i ，p b 笋r e v b ，6 0 ，1 11 7 ( 1 9 9 9 ) 1 6 x z h a n 岛b z l i ，e ta 1 p h y s r e v b ，5 6 ，5 4 8 4 ( 1 9 9 7 ) 1 7 s 做a l l 笛i l i ，h h 1 1 锄u 氇a i l ds m a e k a w 毛p h y s r 眦m 8 2 ，3 9 1 1 ( 1 9 9 9 ) 1 8 ge b l o n d m t i l l l d l 锄，觚dt m k l 印w i j l 【，p h y s r e v b ，2 5 ，4 5 1 5 ( 1 9 8 2 ) 瞿婧：铁磁半金属隧道结中的自旋极化输运丝 第三章铁磁半金属铁磁隧道结中的自旋极化输运 3 1 引言 磁电阻效应是指材料中电阻率随外加磁场变化而变化的。由于它能将磁信号 转化为电信号，所以在磁头、磁储存器件和磁性传感器等领域有着广泛的应用。 、1 9 7 5 年s l o n c z e w s l ( i 提出铁磁金属非磁绝缘体铁磁金属( f m i f m ) 隧道结。当两铁 磁层磁化方向平行或反平行时，隧道结将具有不同的电阻值，这种因外磁场改变 隧道结铁磁层的磁化状态而导致其电阻变化的现象，称为隧道磁电阻( t i 珈1 e l m a g t 0 i 荫蛐，t m r ) 效应。自1 9 9 5 年m i y a z a l ( i 和础a 1 及m o o d e r a 等人2 分 别在砧2 0 3 f e 和c o a 1 2 0 粥。组成的隧道结中获得了较高的隧道磁电阻效应以来， 人们实验上3 ，4 ，5 ，6 和理论上7 ，8 ，9 对各种隧道结的t m r 效应作出了大量的研究。 1 9 8 3 年，d eg 的o t l 0 等人对三元合金n i m n s b 和p t m n s b 等化合物进行计算时 发现了一种半金属( h a l f m e t a l l i c ) 磁性体。这种半金属在宏观上通常表现为具有金属 性的磁性化合物，但其具有两个不同的自旋子能带，在晶体结构、键的性质以及 较大的交换劈裂能等因素的共同影响下，其能系恰好只在一个自旋方向的子能带 ( 通常为自旋向下子能带) 中打开，这样一种特殊的能带结构导致了传导电子l o o 的极化率。从理论上来说，半金属材料可以极大的提高隧道结的t m r 效应。2 0 0 1 年，v 嬲l u i i s 等人1 1 对半金属f e 3 0 4 的磁电阻进行了测量，发现室温下在外场为7 n l t 时相对磁电阻超过5 0 0 。陈鹏等人1 2 报道了半金属f e 3 0 4 中以z n 离子部分代换 f e 离子，z n i f e 3 x 0 4 ，并制备成纳米复合结构的z i l o 4 l f e 2 5 9 0 4 ( q f e 2 0 3 ) ，室温和 4 2 k 温度下的隧道磁电阻效应分别达1 5 8 和1 2 8 0 。m e s c 埘g 等人1 3 以及j m f u f e n g 等1 4 对半金属一超导异质结作出了一些研究，讨论了该结构中的j o s 印h s o n 效 应、隧穿共振和蛐e v 反射等现象。在本文中，我们采用散射方法，即量子力 学的隧穿方法讨论一个铁磁半金属铁磁( f m h m f m ) 隧道结中的隧穿共振和 t m r 等问题。 3 2 模型和理论计算