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多铁垒隧道结的自旋输运 中文摘要 本论文重点研究了多铁垒隧道结中的自旋输运性质，包括自旋过滤效应、隧穿磁 电阻效应和隧穿电致电阻效应。我们详细分析了势垒的多铁性，包括铁磁性和铁电性， 以及势垒的逆压电性对隧道结自旋输运的作用机制。在此基础上，建立了相应的理论 模型，详细研究了势垒的多铁性和逆压电性对隧道结自旋输运性质可能产生的作用和 影响，探索了增强机制和相应的调控手段。 我们的具体工作主要有以下几方面： 1 利用单相多铁垒隧道结提高半导体的自旋注入效率并实现多重调控 我们分析了铁磁垒和铁电垒隧道结中产生自旋过滤效应的机制，发现它们分别属 于两种不同的类型：势垒高度的自旋相关性和势垒厚度的自旋相关性。由于铁磁铁 电型单相多铁垒同时具有铁磁性和铁电性，因此，如果选用合适的电极与多铁垒相结 合，就有可能在一个隧道结中同时实现这两种自旋过滤机制。基于这样的考虑，我们 建立了一种新的多铁垒隧道结模型，即d m s m f - n s 模型，其中d m s 为稀磁半导体 电极，m f 为铁磁铁电型单相多铁垒，n s 为非磁半导体电极。该模型的关键是d m s 电极与多铁垒的结合，从而实现了在一个隧道结中同时存在两种自旋过滤机制。当这 两种机制同时发生作用时，就可以使自旋过滤效应得到增强，从而可以利用这一模型 提高对半导体的自旋注入效率。同时，通过外场对多铁垒中磁矩和电极化取向的控制， 可以实现注入自旋态的四重控制。 2 利用铁磁铁电型两相复合多铁垒隧道结增强自旋输运效应 现有的天然单相多铁材料很难同时具备较强的铁磁性和铁电性，而且，它们的居 里温度都较低，室温下多铁性很弱甚至消失，从而使多铁垒隧道结的应用前景受到很 大限制。这就促使人们通过其他途径来寻找更强的多铁材料，如通过技术设计将一层 铁磁材料和一层铁电材料进行复合，构成铁磁铁电型两相复合多铁材料。对于这种 以铁磁- 铁电型复合多铁材料为势垒的多铁垒隧道结中的自旋输运性质，理论的研究 还很缺乏。为此，我们建立了一种复合多铁垒隧道结模型，即m 1 f e f m m 2 模型， 中文摘要 多铁垒隧道结的自旋输运 其中f e 表示一层铁电垒，f m 表示一层铁磁垒，m 1 和m 2 分别为两个金属性电极。 通过这一模型，我们研究了复合多铁垒隧道结中自旋输运的主要特性。结果表明，由 强铁磁层与强铁电层进行复合而构建的多铁性较强的复合多铁垒隧道结中，存在着比 单相多铁垒隧道结中强得多的自旋过滤效应、隧穿磁电阻效应和隧穿电致电阻效应， 并且在这种隧道结中，对自旋输运效应的调控手段也可以更加多样化。 3 外加偏压下势垒的逆压电性对隧道结自旋输运性质的作用与影响 研究表明，不仅大部分铁电材料具有逆压电性，而且许多多铁材料也具有明显的 逆压电性。因此，在外加偏压的情况下，多铁垒中的逆压电性将不可避免地对隧道结 中的电子隧穿行为产生影响。目前，关于铁电垒隧道结中的逆压电性对电子隧穿特性 的影响已经有人从理论上进行了较为详细的研究，但对于多铁垒隧道结的相关研究仍 是空白。为此，我们分别建立了单相多铁垒隧道结和复合多铁垒隧道结模型，对其中 势垒的逆压电性可能对自旋输运产生的作用和影响进行了详细研究和分析。结果表 明，势垒的逆压电性将对自旋过滤效应、隧穿磁电阻效应和隧穿电致电阻效应产生明 显的增强或削弱作用，具体取决于势垒中的电极化相对于外电场的取向。并且，当势 垒的逆压电性很强时，隧穿磁电阻效应和隧穿电致电阻效应均会出现不同于传统隧道 结的偏压特性，而这一偏压特性对于自旋电子学器件的设计和应用是十分有利的。 关键词：多铁性；隧道结；自旋输运；自旋过滤效应；隧穿磁电阻效应； 隧穿电致电阻效应 u 作者：王建 指导教师：李振亚教授 s t u d yo fs p i nt r a n s p o r t i nt u n n e lj u n c t i o n sw i t hm u l t i f e r r o i cb a r r i e r s a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep u r p o s eo ft h i sw o r ki st os t u d yt h es p i nt r a n s p o r tp r o p e r t i e s ，i n c l u d i n gs p i n f i l t e r i n g ( s f ) ，t u n n e l i n gm a g n e t o r e s i s t a n c e ( t m r ) a n dt u n n e l i n ge l e c t r o r e s i s t a n c e ( t e r ) e f f e c t s ，i nt h et u n n e lj u n c t i o n sw i t hm u l t i f e r r o i cb a r r i e r s t h em e c h a n i s m sr e s p o n s i b l ef o r t h ee f f e c t so fm u l t i f e r r o i s m ，i n c l u d i n gf e r r o m a g n e t i s ma n df e r r o e l e c t r i c i t y , a n dc o n v e r s e p i e z o e l e c t r i c i t yi nt h eb a r r i e ro nt h es p i nt r a n s p o r tp r o p e r t i e sh a v e b e e na n a l y z e di nd e t a i l s e v e r a lt h e o r e t i c a lm o d e l so ft u n n e lj u n c t i o n sh a v e b e e ns e tu pt os t u d yt h es p i nt r a n s p o r t p r o p e r t i e su n d e rt h ei n f l u e n c eo fm u l t i f e r r o i s ma n dc o n v e r s ep i e z o e l e c t r i c i t yi nt h eb a r r i e r t h em e c h a n i s m sa n dm e t h o d st oe n h a n c e ，c o n t r o la n da d j u s tt h e s ee f f e c t sh a v ea l s ob e e n i n v e s t i g a t e d o u rm a i nw o r ka n dr e s u l t sa r el i s t e db e l l o w ： 1 m u l t i p l es w i t c h i n go fs p i np o l a r i z a t i o ni n j e c t e di n t oas e m i c o n d u c t o rb ya m u l t i f e r r o i ct u n n e lj u n c t i o n am e t h o df o rs w i t c h i n gb e t w e e nm u l t i p l es p mp o l a r i z a t i o no ft h ee l e c t r i cc u r r e n t i n j e c t e di n t oas e m i c o n d u c t o ri sp r o p o s e d ，b a s e do ni n j e c t i n gs p i n sf r o mad i l u t e dm a g n e t i c s e m i c o n d u c t o rt h r o u g ham u l t i f e r r o i ct u n n e lb a r r i e r w es h o wt h a ti ti s i m p o r t a n tt o c o m b i n ead i l u t e dm a g n e t i cs e m i c o n d u c t o re l e c t r o d e 、 ，i t l lam u l t i f e r r o i cb a r r i e rt or e a l i z e t h ec o e x i s t e n c eo ft w os p i nf i l t e r i n gm e c h a n i s m sa n dm u l t i p l es w i t c h i n go f s p i n p o l a r i z a t i o no n aw i d er a n g e t h er e v e r s a lo fe i t h e re l e c t r i cp o l a r i z a t i o no rm a g n e t i z a t i o n i nam u l t i f e r r o i cb a r r i e rr e s u l t si nas i z a b l ec h a n g ei nt h es p i i lp o l a r i z a t i o no ft h ei n j e c t e d c u r r e n tb o t hi nm a g n i t u d ea n di ns i g n ，t h e r e b yp r o v i d i n gaf o u r - s t a t ee l e c t r i c a lc o n t r o lo f s p i i lp o l a r i z a t i o n t h ee l e c t r o r e s i s t a n c ea n de l e c t r o m a g n e t o r e s i s t a n c ee f f e c t sc a nb ea l s o r e a l i z e di nt h i ss t r u c t u r e o u ri n v e s t i g a t i o n sm a ys t i m u l a t ee x p e r i m e n t a ls t u d i e so ft h e m u l t i f e r r o i ct u n n e lj u n c t i o n sa n do f f e ran e wr o u t et o w a r d ss p i ni i l j e c t i o ni n t ot h e s e m i c o n d u c t o r s 2 t u n n e lj u n c t i o n sw i t haf e r r o e l e c t r i c f e r r o m a g n e t i cc o m p o s i t eb a r r i e r i i i a t h e o r e t i c a lm o d e lf o rat u n n e lj u n c t i o nw i t ha f e r r o e l e c t r i c f e r r o m a g n e t i c ( i n s u l a t o r ) c o m p o s i t eb a r r i e rs e p a r a t i n gt w om e t a l l i ce l e c t r o d e si sp r o p o s e d b yu s i n gf r e ee l e c t r o n d i r e c tq u a n t u mt u n n e l i n gm e t h o da n dt r a n s f e rm a t r i xf o r m a l i s m ，t a k i n gi n t oa c c o u n t s c r e e n i n go fp o l a r i z a t i o nc h a r g e si n m e t a l l i ce l e c t r o d e sa n dd i e l e c t r i c r e s p o n s e i n f e r r o m a g n e t i cb a r r i e r , w ei n v e s t i g a t et h es f , t m ra n dt e re f f e c t si nt h ej u n c t i o n i ti s s h o w nt h a tt h el a r g es fe f f e c t ，h e n c et m ra n dt e re f f e c t s ，c a l lb ea c h i e v e d e i g h t r e s i s t i v es t a t e si nt h ej u n c t i o nc a na l s ob er e a l i z e db yt h er e v e r s a lo fe l e c t r i cp o l a r i z a t i o ni n t h ef e r r o e l e c t r i cl a y e ra n dm a g n e t i z a t i o ne i t h e ri nt h ef e r r o m a g n e t i cl a y e ro ri nt h e e l e c t r o d e s 3 c o n v e r s ep i e z o e l e c t r i ce f f e c to nt h ee l e c t r o nt u n n e l i n ga c r o s st h em u l t i f e r r o i c j u n c t i o n s c o n v e r s ep i e z o e l e c t r i ce f f e c to nt h ee l e c t r o nt u n n e l i n ga c r o s st h et u n n e lj u n c t i o n s w i t has i n g l e - p h a s eo rf e r r o e l e c t r i c f e r r o m a g n e t i ct w o - p h a s ec o m p o s i t em u l t i f e r r o i cb a r r i e r i si n v e s t i g a t e dt h e o r e t i c a l l y i ti sf o u n dt h a tt h es f , t m ra n dt e ra r ee n h a n c e do rr e d u c e d d u et ot h ep r e s e n c eo ft h es t r a i nc a u s e db yt h ec o n v e r s ep i e z o e l e c t r i c i t yi nt h eb a r r i e rw h e n t h ee l e c t r i cp o l a r i z a t i o ni so r i e n t e da n t i p a r a l l e lo rp a r a l l e lt ot h ea p p l i e df i e l d t h et m r a n dt e rc a ne v e ni n c r e a s e 、i t l lt h ei n c r e a s i n ga p p l i e dv o l t a g ew h e nt h ec o n v e r s e p i e z o e l e c t r i ce f f e c ti sv e r ys t r o n gi nt h eb a r r i e r , w h i c hi st o t a l l yd i f f e r e n tf r o mt h ev o l t a g e d e p e n d e n c ei nt h ej u n c t i o n 晰t l lt h eb a r r i e rw i t hn o n p i e z o e l e c t r i c i t y t h ei n v e s t i g a t i o n s o f f e ran e wr o u t et o w a r d sc o n t r o l l a b l es p i nt r a n s p o r t k e y w o r d s ：m u l t i f e r r o i c s ；t u n n e lj u n c t i o n ；s p i nt r a n s p o r t ；s p i nf i l t e r i n ge f f e c t ； t u n n e l i n gm a g n e t o r e s i s t a n c e ；t u n n e l i n ge l e c t r o r e s i s t a n c e i v w r i t t e nb yj i a nw a n g s u p e r v i s e db yp r o f z h e n - y al i 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或 其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责 任。 研究生签名：二虹日期：盈掣 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保存期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名： 导师签名： 日期：也碰 e l 期：生22 ：口 多铁垒隧道结的自旋输运第一章绪论 第一章绪论 近年来，多铁垒隧道结因其重要的学术价值和广阔的应用前景而日益成为凝聚 态物理学和材料科学的研究热点。多铁垒隧道结的主要特点，是在多铁垒中同时具 有铁磁性、铁电性和铁弹性中的两种或三种特性，这些特性及其相互作用都对电子 的自旋输运产生作用和影响，从而使多铁垒隧道结的自旋输运变得复杂而多样，也 使多铁垒隧道结更利于实现器件的多功能化、微型化及调控手段的多样化。 本文结合近些年来有关隧道结的实验研究，重点从理论上研究多铁垒隧道结的 自旋输运现象，其中包括自旋过滤效应、隧穿磁电阻效应和隧穿电致电阻效应，分 析势垒的多铁性对自旋输运产生作用与影响的物理机制，以探求增强和调控这些效 应的方法和途径。 1 1 隧穿磁电阻效应 隧穿磁电阻效应( t u n n e l l i n gm a g n e t o r e s i s t a n c e ，t m r ) 是指，在由两个铁磁金属 或氧化物电极和一层绝缘材料构成的三明治结构的隧道结( 如图1 1 所示) 中，当两 个电极的磁矩之间的相对取向在外磁场作用下发生改变时，隧道结的隧穿电阻随之 发生变化的现象【1 - 5 】。 图l - l ：隧道结的三明治结构示意图。( a ) 两个电极的磁矩取向相同时，隧道结电阻较小；( b ) 两个电极的磁矩取向相反时，隧道结电阻较大。 第一章绪论多铁垒隧道结的自旋输运 t m r 一般定义为： t m r ：坠二生( 1 1 ) 其中，廓和如分别为两个电极的磁矩方向平行( p 位形) 与反平行( a p 位形) 时隧道结的电阻。由于隧道结的电阻与电导成反比关系，因而，以上定义又可以等 效为： t m r ：生二坠 g ， ( 1 - 2 ) 其中，g ，和g 。p 分别为两个电极的磁矩方向平行与反平行时隧道结的电导。 隧穿磁电阻效应的产生与隧道结中电子的自旋相关隧穿密切相关，我们可以用 图1 2 所示的双通道模型来理解隧穿磁电阻效应。 参与隧穿的电子主要来自于电极费米面附近的电子，由于交换劈裂，通常情况 下电极费米面上的多数载流子( 通常简称为自旋向上的电子：u p s p i n 电子) 和少数 载流子( 通常简称为自旋向下的电子：d o w n - s p i n 电子) 的数量是不同的，或者说， 他们的态密度d o s ( d e n s i t yo f s t a t e s ) 不相等。电子隧穿时，隧道结总的隧穿电流为 u p s p i n 和d o w n s p i n 两个自旋通道中的隧穿电流之和，而每个通道隧穿电流的大小 与参与隧穿的电子数量成正比，也即与相应通道上两个电极的费米面上的态密度乘 积成正比。当两个电极中的磁矩取向相同时( 如图i - 2 ( a ) 所示) ，u p s p i n 自旋通道的 隧穿电流山较大( 图中的红色粗虚线) ，该通道的电阻辟较小；而d o w n s p i n 自旋通 道的隧穿电流，i 较小( 图中的兰色细虚线) ，该通道的电阻r 。，大。因此，这种情形 下隧道结的总电流以较大，电阻邱较小。当两个电极中的磁矩取向相反时( 如图1 2 ( b ) 所示) ，u p s p i n 和d o w n - s p i n 两个自旋通道的电流山和山都较小( 图中的红兰两条 细虚线) ，两个自旋通道的电阻碍和凡都较大，因而隧道结的总电流较小，电阻 尺。，较大，由此产生隧穿磁电阻效应。 关于隧穿磁电阻效应的理论模型，最早是由j u l l i e r e 提出f f o 3 。j u l l i e r e 模型建立 2 多铁垒隧道结的自旋输运 第一章绪论 在两个假设的基础之上，第一，电子在隧穿过程中的自旋是守恒的，也e 4 j 在隧穿过 程中电子的自旋不发生翻转；第二，每个自旋通道的电导与该通道上两个电极内费 米面上的有效态密度的乘积成正比。由此给出隧穿磁电阻效应的表达式为： t m r ：里p 二丘：兰娶 ( 1 - 3 ) g p1 - i - 2 眉罡 。 其中，日和罡分别为两个电极中费米面上电子的自旋极化率： 只5 耩 q 钔 这里，矿和科为电极费米面上u p s p i n 和d o w n s p i n 电子的有效态密度，下标 i 1 或2 分别表示左右两个电极。 、叫 f ， 吣一、 l 萱i 弋-、i 弋 少 f 岁 t 左i m l 盈毛 l o w 。r e s i s t a n c e h i g h - r e s i s t s n c e 图1 - 2 隧穿磁电阻效应的双通道模型。( a ) 两个电极中的磁矩取向相同时，u p s p i n 自旋通 道的电阻辟小，d o w n - s p i n 自旋通道的电阻r 大，隧道结总电阻廓小；( b ) 两个电极中的磁矩 方向反平行时，u p 。s p i n 和d o w n - s p i n 两个自旋通道的电阻碍和气都大，隧道结总电阻大。 第一章绪论多铁垒隧道结的自旋输运 由于j u l l i e r e 模型中并没有考虑势垒和界面的因素，因而该模型给出的预计值一 般都明显大于实验值。通常认为，j u l l i e r e 模型给出的是一个隧道结在理想情况下所 能获得的t m r 效应的上限值【4 6 】。 s l o n c z e w s k i 采用自由电子模型【8 】，用量子力学方法求得一个更好的关于t m r 的公式如下： t m r ：三垒! 盆! ( i - 5 ) 1 + 。2 其中，。和易：分别为两个电极的有效自旋极化率： 驴籍搿= 置鞘 6 ， k 孺k 2 tk研27 , k = 昱臻 ( 1 - 7 ) 这里，露和罡即为两个电极的自旋极化率，他们只分别与两个电极的性质有关， 其中口和砖分别为电极费米面上u p s p i n 和d o w n - s p i n 电子的波矢，而r 则为势垒中 的波矢： x = 、( 2 m h 2 ) ( 一廓) ( 1 - 8 ) 波矢k 来源于势垒电极两个界面上波函数的连续条件，它与势垒的高度 = 一廓有关，其中廓为电极的费米能级。 由于s l o n c z e w s k i 模型中考虑了势垒和界面的因素，因而它比j u l l i e r e 模型更接 近于实际。我们发现，当势垒高度很高时，有易。丑，易：昱，在这种情况下， 公式( 1 5 ) 就简化为公式( 1 - 3 ) ，也即，j u l l i e r e 模型只是s l o n c z e w s k i 模型的一个 特例 6 ，9 】。 然而，s l o n c z e w s k i 模型仍然过于理想化，通常情况下实验上获得的t m r 效应 仍明显低于s l o n c z e w s k i 模型给出的预计值 6 】。关于t m r 更精确的理论计算，可以 用l a n d a u e r - b u t t i k e r 公式求解隧道结的电导1 1 0 ，1 1 ，1 2 】： 4 多铁垒隧道结的自旋输运 第一章绪论 q = 瓦篇p 2 焉l 丁( 耳，焉i ) ( 1 - 9 ) 其中，丁( 廓，毛) 为隧穿几率，氐为隧穿电子的横向波矢。 然后根据公式( 1 2 ) 计算t m r 。因此，问题的关键归结为对隧穿几率r ( b ，丘) 的计算。文献 6 给出当隧道结势垒为一规则的矩形势垒时的隧穿几率的表达式为： r ( 廓，栌而鬲1 而6 k a t c 丽2 k 2 口2 如( 1 - 1 。) 对于势垒形状不规则的隧道结来说，上述模型均不适用。本文所研究的隧道结 的势垒形状都比较复杂，因而我们采用传输矩阵法求解电子的隧穿系数，然后用 l a n d a u e r b u t t i k e r 公式求解隧道结的电导。 在实验方面，研究人员通过选用不同的电极和势垒材料，并对实验技术不断进 行改进，以求获取尽可能高的隧穿磁电阻效应。这里，我们按照隧道结的势垒材料 所具有的不同性质，将隧道结分为四类分别进行简要讨论。这四类隧道结是：一般 绝缘垒隧道结、铁磁垒隧道结、铁电垒隧道结和多铁垒隧道结。 这里所谓的一般绝缘垒隧道结，是指势垒层不具有任何铁磁、铁电或多铁性的 隧道结( 也称传统隧道结) ，它是最早被广泛研究的一类隧道结，常用的势垒材料包 括a 1 2 0 3 和m g o 等，其中，d d d j a y a p r a w i r a 研究小组利用m g o 做势垒获得了 室温下高达2 3 0 的隧穿磁电阻效应。表1 1 给出了几个典型的传统隧道结及其隧穿 磁电阻效应的数据。 第一章绪论 多铁垒隧道结的自旋输运 表1 1 ：典型的传统隧道结实验研究结果 y r e a rr e s e a r c h e rt e a mj u n c t i o nt m r t e m p e r a t u r e 1 9 7 5 m j u l l i e r e 3 】 f e g e c o1 4 4 2 k 1 9 9 5 j s m o o d e r a 13 】 c o f e - a 1 2 0 3 - - c o 1 1 8 r t + 1 9 9 5 t m i y a z a k i 1 4 】f e - a 1 2 0 3 f e 1 8 r t 2 0 0 0 s c a r d o s o a 1 5 】 c o f e 舢2 0 3 一c o f e 4 1 r t 2 0 0 4 s y u a s a 1 6 】f e - m g o - - f e 1 8 0 r t 2 0 0 4 s s p p a r k i n 1 7 】c o f e - m g o - c o f e 2 2 0 r t 2 0 0 5 d d o j a y a p r a w i r a 18 】 c o f e b - - m g o - c o f e b 2 3 0 r t r t ：r o o mt e m p e r a t u r e 对于传统隧道结，只有当两个电极都具有铁磁性的情况下才能获得隧穿磁电阻 效应。 铁磁垒隧道结是指用铁磁性材料做势垒的隧道结，由于势垒具有铁磁性，使得 势垒高度出现劈裂，导致u p s p i n 和d o w n s p i n 两个自旋通道的电子遇到的势垒高度 不同，这就使铁磁垒具有了区别于其他势垒的最主要特性自旋过滤效应( s f 效 应) 【1 9 】。这一特性使得铁磁垒隧道结只需要有一个电极具有铁磁性即可获得隧穿磁 电阻效应 2 0 ，2 3 。如果选择两个合适的铁磁金属或氧化物作为电极，则势垒的自旋 过滤效应将有可能使隧穿磁电阻效应得到进一步提高。表1 2 给出了几个典型的铁磁 垒隧道结。关于自旋过滤效应我们将在1 2 中进行详细讨论。 6 多铁垒隧道结的自旋输运第一章绪论 表1 2 ：典型的铁电垒隧道结实验研究结果 y e 孤r e s e a r c h e rt e a mj u n c t i o n s p i np o l a r i z a t i o n 1 9 8 8 j s m o o d e r a 1 9 】 a u e u s a l 8 0 1 9 9 3 j s m o o d e r a 2 1 】a g - e u s e - a i 9 7 a 1 e u o - a g 9 2 0 0 4 t s s a n t o s 2 2 】 a 1 e u o y t2 9 2 0 0 5 m g a j e k 2 3 】 a u b m o l s m o2 2 铁电垒隧道结是指用铁电性材料做势垒的隧道结。由于势垒具有铁电性，也即 势垒具有自发电极化现象，于是在势垒与电极的界面上产生极化电荷与屏蔽电荷， 并分别在势垒和电极内产生退极化场和屏蔽电势，从而影响隧道结的电势分布，进 而影响到电子的隧穿性质。当铁电垒隧道结的两个电极的电性质不同时，这种电极 化对隧道结电势分布的影响与电极化的方向有关，导致对应于电极化的不同指向使 得隧道结的电导也不同，这就是铁电垒隧道结的重要特性隧穿电致电阻效应 ( t e r 效应) 2 4 ，2 5 。关于隧穿电致电阻效应，我们将在1 3 中进行详细讨论。 通常情况下，铁电垒隧道结对于两个自旋通道是对称的，也即铁电垒一般并不 具有自旋过滤效应。但是，当电极与铁电垒之间满足某种特定条件时，也会使铁电 垒对于两个自旋通道出现不对称性，从而导致自旋过滤效应 2 6 】。 用多铁材料做势垒的隧道结我们称为多铁垒隧道结。这里，多铁材料是指同时 具有铁磁性、铁电性和铁弹性中的任意两种或全部特性的一类特殊材料。本文研究 的多铁垒隧道结，重点为铁磁铁电型多铁垒隧道结，因此，在不特别申明的情况下， 本文所称的多铁垒一般是指铁磁铁电型多铁垒。由于多铁垒中同时存在铁磁性和铁 电性，因此，多铁垒隧道结必定兼有铁磁垒隧道结和铁电垒隧道结的特性，也即， 多铁垒隧道结可以同时具有自旋过滤效应和隧穿电致电阻效应，如果有一个电极是 铁磁性的，则该隧道结也就具有了隧穿磁电阻效应。因此，多铁垒隧道结中的自旋 输运现象会更加丰富和复杂，它是本文重点研究的对象。 根据以上讨论，我们将上述四类隧道结的主要特性作一简要概括，列于表1 3 。 7 第一章绪论多铁垒隧道结的自旋输运 其中，“主要特性”栏中的有关内容将在本文的后面进行详细讨论，“效应”栏是基于一 个非磁电极势垒铁磁电极结构的隧道结得出的，s f l 和s f 2 表示是由两种不同机制 产生的自旋过滤效应。表中加括号的内容表示必须满足一定条件下才具有的特性或 效应。 表1 3 ：四类隧道结的主要特性一览表 隧道结类型主要特性效应 传统隧道结 铁磁垒隧道结势垒高度是自旋相关的s f l ，t m r 势垒平均高度是电极化取向相关的t e r 铁电垒隧道结 ( 势垒有效宽度是自旋相关)( s f 2 ，x m r ) 势垒高度是自旋相关的s f l ，t m r 多铁垒隧道结势垒平均高度是电极化取向相关的t e r ( 势垒有效宽度是自旋相关的)( s f 2 ，t m r ) 1 2 自旋过滤效应 自旋过滤( s p i n f i l t e r i n g ，s f ) 概念最初是在对铁磁垒隧道结的研究中提出的。 1 9 8 8 年，m o o d e r a 研究小组在对a u e u s a 1 隧道结的研究中探测到隧穿电流是自旋 极化的。由于两个电极a u 和舢均为非磁性材料，因此从电极中发出的电流不可能 是白旋极化的，由此推断，该白旋极化来自于铁磁性半导体e u s 势垒的自旋过滤效 应 1 9 1 。在进一步的研究中，有更多的铁磁材料 2 0 - 2 3 ，2 7 - 2 9 ，如e u s e 、e u o 、n i f e 2 0 4 等被用作隧道结的势垒层，并成功获得了自旋过滤效应。 对于自旋过滤效应，我们结合图1 3 给出一个明确的定义。假设自旋极化率为础 的电流从势垒的左侧射入，穿越势垒后从右侧射出，并且其自旋极化率为s 只，那么， 8 多铁垒隧道结的自旋输运第一章绪论 如果有踢s e , ，我们就说该势垒具有自旋过滤效应。并且，如果有s 弓 础，我们 称为正的自旋过滤效应，否则为负的自旋过滤效应。 s p ls p 2 s p l 图1 3 势垒的自旋过滤效应示意图。 对于铁磁隧道结中的自旋过滤效应，我们可以用图1 - 4 来分析它的产生机制。由 于势垒层具有铁磁性，在居里温度以下其导带发生交换劈裂，于是，对于自旋方向 不同的隧穿电子来说其势垒高度也不同：u p s p i n 电子遇到的势垒较低，而d o w n s p i n 电子遇到的势垒则较高。由于电子隧穿几率与势垒高度呈指数衰减关系，因此，即 使入射电流的自旋极化率为零，穿过铁磁势垒后也会产生自旋极化。对于自旋极化 率不为零的入射电流，铁磁垒的自旋过滤效应可以使其自旋极化率得到提高( 正过 滤效应) 或降低( 负过滤效应) 。由于铁磁垒具有自旋过滤效应，因此，铁磁垒隧道 结的两个电极中只要有一个是铁磁性的，就可以产生隧穿磁电阻效应。如果其中的 一个电极为半导体，则可以用作半导体的自旋注入，这也为解决半导体自旋注入 3 0 3 4 】中的阻抗匹配问题提供了一条有效途径。 9 第一章绪论 多铁垒隧道结的自旋输运 f mb a r r i o r 图1 4 ：铁磁垒隧道结中的自旋过滤机制示意图。 l e c t r o n 根据以上分析，铁磁垒隧道结的自旋过滤效应实际上起源于铁磁垒的势垒高度 是自旋相关的。很显然，铁磁垒的交换劈裂是影响其自旋过滤效应的最主要因素。 交换劈裂越大( 表示势垒的铁磁性越强) ，则两个自旋通道的势垒高度差越大，自旋 过滤效应也越强。除此以外，势垒的高度和厚度等因素也将对自旋过滤效应产生一 定影响。我们以一个典型的铁磁隧道结a u e u s a u 为例，用传输矩阵法进行计算( 计 算参数取自参考文献 1 9 】) ，获得了该隧道结中自旋过滤效应n 与势垒层的铁磁性( 用 半交换劈裂值曰表示) 、势垒厚度d 和势垒高度之间的关系，计算结果如图1 - 5 至图1 7 所示。图中的自旋过滤效应a 定义如下： 口：当二垫( 1 1 1 )口= 上三( 1 -) 缉手q 其中，g t 和q 分别代表u p - s p i n 和d o w n s p i n 通道的电导。 根据图1 5 至图1 - 6 ，我们发现，隧道结的自旋过滤效应不仅取决于势垒的铁磁 性( 势垒铁磁性越强，自旋过滤效应也越强，如图1 5 所示) ，而且还与隧道结的厚 度( 图1 6 ) 和势垒高度( 图1 7 ) 有关。图1 7 表明，选择势垒高度较低的铁磁材 料做势垒更有利于获得高的自旋过滤效应。 1 0 多铁垒隧道结的自旋输运 第一章绪论 8 图1 - 5 ：铁磁垒隧道结a u - e u s - a u 的自旋过滤效应口随着铁磁垒半交换劈裂曰的变化关系。 计算参数：势垒高度= 2 0 e v ，势垒厚度d = 2 n m ，电极费米能级肌= z r = 5 5 e v 。 d 燃 图1 - 6 ：铁磁垒隧道结a u - e u s a u 的自旋过滤效应口随着势垒厚度d 的变化关系。计算参数： 势垒高度= 2 0 e v ，半交换劈裂口= o 1 8 e v ，电极费米能级纯= 缘= 5 5 e v 。 第一章绪论多铁垒隧道结的自旋输运 8 u s ( s v ) 图l - 7 ：铁磁垒隧道结a u - e u s - a u 的自旋过滤效应口随着势垒高度的变化关系。计算参 数：势垒厚度d = 2 n m ，半交换劈裂= o 1 8 e v ，电极费米能级鲍= 脲= 5 5 e v 。 铁电垒隧道结通常是不存在自旋过滤效应的。但是，当使用稀磁半导体电极与 铁电垒相结合，并且满足一定条件时，铁电垒隧道结也会产生自旋过滤效应。我们 考察如图1 8 所示的铁电垒隧道结：d m s f e n s ，其中d m s 表示稀磁半导体电极， f e 表示铁电垒，n s 表示非磁半导体电极，多铁垒中的电极化p 指向左侧的稀磁半 导体电极。 势垒中的电极化p 使得势垒表面出现极化电荷，而在电极与势垒的表面附近则 产生屏蔽电荷，并在电极内产生屏蔽电势，使其能带发生弯曲。根据t h o m a s - f e r m i 模型 3 5 1 ，可以求得势垒与左右电极的两个界面上的屏蔽电势分别为 2 5 ，2 6 】： 纯= 一吒皖气 ( 1 - 1 2 ) 牛r = 6 r | r ( 1 1 3 ) 其中，皖和磊分别为左右电极的t h o m a s - f e r m i 屏蔽长度，气和靠分别为左右 1 2 多铁垒隧道结的自旋输运第一章绪论 电极的介电常数，吼为电极与势垒界面上的屏蔽电荷面密度。 p 艮 ， ， 渊死磁 图l - 8 ：铁电垒隧道结中的自旋过滤机制示意图。( 摘自m y z h u r a v l e v e t a l ，a p p l p h y s l e t t ， 2 0 0 5 ，8 7 ：2 2 2 11 4 ) 当公式( 1 1 4 ) 和( 1 1 5 ) 同时满足时( 其中，和，分别为左侧d m s 电极的 费米能和半交换劈裂) ，隧道结的电势分布即出现图1 8 所示的情形。这时，d m s 电 极内u p - s p i n 电子对应的电势如虚线所示，d o w n - s p i n 电子对应的电势如实线所示， 注意到其中接近于势垒的一部分已经高于费米面。在这种情形下，当电子穿越隧道 结时，d o w n s p i n 电子需要先穿越一个额外的势垒，然后再穿越铁电层的梯形势垒， 而u p s p i n 电子则直接穿越梯形势垒。也即，与u p - s p i n 电子相比，d o w n s p i n 电子穿 越的势垒的有效宽度变宽了。因此，在这种情形下势垒的有效宽度是自旋相关的。 因而，u p - s p i n 与d o w n - s p