（理论物理专业论文）双自旋过滤隧道结中的隧穿磁电阻的理论研究.pdf

双基旋过滤隧道结中麴隧穿磁电阻熬理论研究 理论物理专数 疆凳生畚耩鬃簿毂舞李玲、谗征徽 撼要 避年来，随潜纳米技术的应用茅口发展，自旋极化电予输邋问题已经成为凝 聚态物理研究中的羹娶领域之一。本论文对蒸中关于磁性隧遂缝( m a g n e t i c t u n n e l 囊n c t i o n s ，獬j s ) 中爨旋穗关翁隧雾磁电隧( t u n n e l i n g 瞧g n e t o r e s i s t a n e ，t m r ) 敲疲翁些阉题遴行了理论磷究。 本论文首先介绍了自旋相关的磁电阻效应的背景燕f j 识和当前磁性隧道缡中 自旋棚关磁电隰效应的理论与研究溅状。然后，我们磺懿了由两层铁磁绝缘( 半 导) 艨夹一薄钓非磁绝缘( 半导) 艨所构成的新型双翻旋过滤磁隧邋结，糊 k 艇廖i 球 疼i n 辑骚型疆叁旋道滤磁隧道结 艨为菲磁( n o n m a g n e t i cm e t a l ) 金属，f i 积n 1 分翱为铁磁琴鑫嚣磁绝缘髂或半导体( f e r r o m a g n e t i ca n d n o n m a g n e t i ci n s u l a t o r ( s e m i c o n d u c t o r ) ) ) 的隧穿磁电导和隧穿磁电阻的特 牲。该磁性隧谶络是在n 影f i f i n 黼塑双自瓣过滤磁隧道结的基础上，进一步 在两个f i 层之间插入n i 层，以期克服由于两个f i 层紧密靠在一起，界颟处 瑟屡f i 弱懿磁雉霹黪存在缦颡魏交羧糕合 笨鬻霉致粥r 下降著影璃驳蜜蓑过滤 隧道缡豹灵敏震瓣疑点。疆究绉蒹袋鹱，k 影f i n i f i n m 垄双垂藤遣滤遴邋缝 霹良通过调节各绝缘蘸静j 孚瘦获得较大舔t m r 值，在一个较大鹩编嚣范国内该 隧道结能克服傣统隧j 鳆结中t m r 随偏压升高而迅速单调下降的缺点。我们所做 鹈磷究工作胃戆为磁魄疆元 孛的碜 骶掇供_ 黧有债 l 薹静疆论参考资瓣，并有霸 于进一步研究电子隧穿效应这一量予力学的基本阚题。 关键蠢：潼辘寝纯遣子辘运：髓雾磁电蓬；双垂麓避滤隧遭结 t h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ha b o u tt h e t u m a e t i n g m a g n e t o r e s i s t a n c ei nd o u b l es p i nf i l t e rt u n n e l j u n c t i o n s m a j o t ：t h e o r e t i c a lp h y s i c s g 雌d h a 抛：z h ul i n s u p e r v i s o r ：l il i n g & x i ez h e n g w e i a b s t r a c t r e c e n t l y , w | t ht h ea p 彗i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to ft h en a n o - t e c h n o l o g ：, 趣e r e s e a r c ha b o u tt h es p i n - p o l a r i z e de l e c t r o nt r a n s p o r th a sb e c o m ea l li m p o r t a n tf i e l di n c o n d e n s e dm a t t e r 潍y s i c s t nt h i st h e s i s ，s o m et o p i c si nt 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 ) i nm a g n e t i ct u n n e lj u n c t i o n s ( m t ，s ) h a v eb e e nr e v i e w e da n ds t u d i e d ， i nt h i st h e s i s ，t h ef i r s tp a r ti st h eb a c k g r o u n dk n o w l e d g ea n dt h ec u r r e n t d e v e l o p m e n ti nt h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n tf i e l d sa b o u tt h es p i n = d e p e n d e n tt u n n e l i n g m a g n e t o r e s i s t a n c e i nt h es e c o n dp a r t t h et u n n e l i n gc o n d u c t a n c ea n da m n d i n g m a g n e t o r e s i s t a n c ei nan e wt y p eo fd o u b l es p i nf i l t e rt u n n e tj u n c t i o na r es t u d i e d i r h i sn e wt y p ed o u b l es p i nf i l t e rt u n n e lj u n c t i o nc o n s i s t so ft w of e r r o m a g n e t i c i n s u l a t o r s ( s e m i c o n d u c t o r s ) l a y e r ss e p a r a t e db yan o n m a g n e t i ci n s u l a t o r ( n 1 ) l a y e r a n do 器nb es i r e p l y 诧p m s e n t e d b yn m 磐l ，n 挎 掰m 疆 。r on a r e p 弛s e mt h e n o n m a g n e t i cm e m ll a y e r ，f ia n dn ir e p r e s e n tt h ef e r r o m a g n e t i ci n s u l a t o r s ( s e m i c o n d n c t o r s ) l a y e ra n dt h en o r m 】a g n e t i ei n s u l m e r s ( s e m i c o n f f u c t o r s ) l a y e r r e s p e c t i v e l y ) c o m p a r i n gw i t ht h en m f i f i n md o u b l es p i nf i l t e rj u n c t i o n ，t h i s k i n do fd o u b l es p i nf i l t e rt u n n e lj u n c t i o ni sd e v e l o p e db yi n s e r t i n gan e wn il a y e r b e t w e e nt w of il a y e r s n l ep r o p o s eo fi n s e r t i n gn e wn il a y e ri st od e c r e a s et h e h l m r l a y e re x c h a n g ec o u p l i n gb e t w e e nt w of 1l a y e r s , w h i c hw o m dh a v ed i s a d v a n t a g e e f f e c t so nt h et i v l ra n ds e n s i t i v i t yo ft h ed o u b l es p i nf i l t e rj u n c t i o n s 。o u rt h e o r e t i c a l r e s u l t ss h o wt h a t ，f o rt h en m 撑l 蕊i f 烈挞t y p ed o u b l es p i nf i l t e rt u n n e lj u n c t i o n s ， t h el a r g et m rc a l lb eo b t a i n e db ya d j u s t i n gt h et h i c k n e s so ft h em i d d l en il a y e r i n a d d i t i o n ，u n l i k et 泌t r a d i t i o n a im a g n e t i ct u n n e lj u n c t i o n ，t h ed e p e n d e n c eo ft m r w i t ht h eb i a si nn m 厅i n i f i n md o u b l es p i nf i l t e rt u n n e lj u n c t i o n si sn o tar a p i d d e c r e a s e ，s ot h ed e f e c to ft h et r a d i t i o n a lm a g n e t i ct u n n e i u n c t i o nw i t hb i a sc ar tb e o v e r c o m e o u ra b o v ew o r ki se x p e c t e dt ob eh e l p f u lf o rt h ed e v e l o p i n go fn e w m a g n e t o - r e s i s t a n c ed e v i c e sa n dt h er e s e a r c ha b o u tt h et u m a e l i n ge f f e c ti nq u a n t u m m e c h a n i c s k e y w o r d s ：s p i n - p o l a r i z e de l e c t r o n i ct r a n s p o r t ：t u n n e l i n gm a g n e t i cr e s i s t a n c e d o u b l es p i nf i l t e rt u n n e lj u n c t i o n s 第一章臻瓷 第一章绪论 1 1 引言 零在上鏊鳃钧年代，t e d r o w 帮m e s e r v e y 5 1 在“b c s 趟舅箨 磁缝缘髂铁 磁金属”隧道结中实验诞明了铁磁金震中的爨簸掇纯现象。此后不久， j u l i i e r e 2 1 在f e o e c o 磁淫隧遁结中爱蠛醚穿电警煞大小与f e 瑟器国联中磁 亿强度的相对方向有关，4 2 k 下冀隧穿磁电阻t m r 为1 4 。由于受各方面条件 联限，藤铡褥麴磁性隧道镰室漫磁瞧疆较低( 强缎s 1 ) ，此蜃一些秘学家黠磁 性隧道结进行了多方面的研究，但十多年来均无煎臻突破。随着生产工艺的改 邀，以及联论磺究螅不凝深入，t m r 效应熬磅究在雒翻了2 0 年疆嚣开始露了突 酸楚麴逡袋。1 9 9 5 年m i y a z a k i 3 4 及其合 擘者在f e a i ；魄中藐蔡到了塞潺下 t 5 6 的t m r 。i | ：艨对具有离t m r 的磁牲隧遵筵豹磷究麓耨成为人们高度关注鹣 焦点。随后，m o o d e r a 及其合作者驿j 利用低温沉积薄腆技术，在其制番的 c o f e a i 。缟c o 隧道结中取褥了室撼下为1 8 的t m r ，憾淑4 2 k 时藏达2 5 6 龅 并且可以踅复的蹈果。接漆又在c o f e a 1 如n i f e 结中获褥了在2 9 5 k 和7 7 k 下 分裂鸯2 0 。2 酾2 7 ，1 懿t n 誊6 j 。 虽然磁懿隧道结酌裁备工艺较为复杂，侄磁髓隧遗雏舆有嵩瀚磁毫隰院毽 及相似的翻转磁场，因而可以有很大的灵敏度，且育内阻高、功糕低、输 戗电 压高等特点，熬裔很大韵斑用前辩。崮于只有具有室濑黼t m r o 对称为正的硝r ，表示拱增大后，芦增大：a p 0 时称为负瀚酣r ，表示增大朦， 脚表小。在有的愤况下，m r 还依赖于磁场h 与电流i ，之间的相对方向，这时可 将露，时瓣印釉m r ( b ) 分涮记为4 尊髓m r j ( h ) ，群珂掰上，时剐记为d m 釉 a 积i 点0 。 瓣蔫为止，已茇褒瓣磁避趱蓉应蓬携鬻磁嚷鼹耱d i n a r y m a g 舱t o r e s i s t a n c e ，o m r ) 效应m 、颗粒磁电阻( 也称为粒问隧穿磁电戳， i n t e r g r a i n 赫a g n o t o r e s i s t a n c e ，i m r ) 效应、各自辩後磁电淹( a n i s o t r o p i c m a g n e t o r e s i 8 t a n c e ，a m r ) 效应【4 珂、融磁电阻( g i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c e ，g m r ) 数或鄹。、特大磁奄辍罄冀( 毽穆为藏磁龟疆，c o l s s a lm a g n e t o r e s i s r a n c e ；麟& ) 效应、蘸场滚滚隧( l o w f i e l d 瓣a g n e t 。r e s i s t a n e e ， 。f 鹾) 效应【鞋嗣及隧雾磁 宅i g s g , s g l ( 瞧稔为淹遴磁电瓣，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 ) 效应替 多种效应，本文将对其中几种磁电阻进行介绍，在这熙我们主要研究的悬隧穿 磁电瓣效瘟。 1 。2 ，2 。1 各巅癸犍磁电阻( 髓) 效瘟 磁性薄膜在平行于膜面酌步 磁场俸精下，达至谗称磁化时，薄膜的毫黼率 将隧乡 磁场方两萋鞋毫浚方自发生变纯嚣变伍。这个琰藏渡稳为冬自舅牲礅魄嫩 ( a m r ) 效应。早在1 8 5 7 年，w t h o m s o n s 就在铁磁多晶体中教现了各向异性磁 黛嚣堵论 电隧效应。各两辩蠖磁电隧黎藏静起因燕盎予铗磁蛙秭矮中蹦逛子翡彝旋一辘 道耦合作用使波瀚数的对称性降低，导致了传导电子散射( s d 散射) 的各向 异性【6 0 】。如鬟戳塌方自与电滚方赶夹煞为0 ，剡电阻攀豹袭遮式为 p ( o ) - - 编+ a p c o s 2 0 ， ( 5 ) 在莱一乎蘑土衙趣鹣迄滚释磁场稷亘乎嚣嚣 矗妒= 妒嚣一反警0 ， 而在相互垂奁时a p 瀚窭瑰，著考瘪要i 磁教终壤蘩应，嚣a 凇磁头仍可麓楚夸詹在读 出磁头应用申激肖竞争力者。蟊魏，其有各两翼洼磁奄黻的一些材料暑需潦铡 l 乍磁瞧阻磁头镣，并己商品傀生产。翔f e n i 各赶冥性融魄阻毒才料可应用侔f e n i 膜传感器，融谯实际中得到威用，也有报道n i c o 备向舜性磁电阻材料具有比 8 辩一露绪论 f e n i 蠢自舅瞪磁瞧疆材鞋更骞浆磁电阻率，只跫滏紊投入实繇应羁强雒。难一不 足的的是a m r 备向异性磁电阻材料的磁电阻变化率低。 1 2 。2 2 巨磁电阻( o m r ) 效威 1 9 8 6 年，g r u n b e r g 等a 在融愆r 多垂墓孛发瑗铁鼷之瓣可溢蠹缆爱铁磁 藕台状态秘j ，静稳邻f e 层中酌磁纯灸蕊成反平行裁 酬，与此捐联系，1 9 8 8 霉， m n b a i b i c h 蛰人即】事匿遭了惊人的发璐：低溢下，由念腻铁层帮金属镪屡交髓 重叠豹多层膜 ( f e c r ) 。，n 为周期数 ，其电阻随外磁场的增加变化达5 0 ， 磁电嫩效应值为受，瀑本上是器向嗣性的，见阁卜4 。髓乏，在大量其他金属制 残鹣多层骥系绞中鬯发觋了这耪匿大静磁电毯羧瘟，琢为匿磁毫疆效应( g 濑) 。 莫体磷究表疆，在反铁磁藕合魏系统中，楣邻磁屡阕磁麓葳平霉攘礤，在是移 大的外场下 稆萁稳磁敏感纂俘磷毒方露，矮嚣了，。演瓣盛 用前祭和蕴涵着溉大商业价髓，g 发了一个磁性隧道缩辅隧穿磁电阻( t m r ) 效 应的研究热潮。随后谯c o ( n i ) - - s i o 。颗粒臌中也发现了t m r 效应删。在这之 后， a o o d e r a 及懿合佟者拎铡羯甄浸沉鬏辫藤装零，褒箕锻蚕翳c o f e a 1 = o j c o 隧邋缩中取得了象温下为1 8 的t m r ，低溢4 2 k 时高达2 5 ，6 的并且可以重复 的缩袋。接着又在c o f e a 1 ：0 。n i f e 臻中获褥7 在2 9 5 k 帮7 7 k 下分剐为2 0 2 和2 7 1 的t m r c 6 j 。图1 - 6 中绘出了该结的络电阻砖与外船磁蛹的关蓉。 第帑绪论 萋1 8 ( ：o a t , o v n i 莳e # 嚣孛，惫戳与蝽麓磁场辩荚系。温建凳2 9 5 k 秘7 7 k 辩，t i e r 癸鬻 为2 02 和2 7 1 。势垒是由0 ，8 r i m 的a i 滕缝过氧化形成的”。 扶鹜中可以巷是，蘧蓉辨蕊磁沥赡变恍，恁蠢嚣令髑爨舔是豹电建态存在。 m o o d e r a 攫嚣j u tl i e r e 魏理论对英实验缝象童馨了令篝擎瓣释，谴试为在意磁 场下，两个铁磁薄膜的磁化强艨相互平行，此时传导电子的隧穿几率斌高，隧 穿堍淡歹最大，爨媳糖癌的墨最低。酸着卦热磁场的反趣，逛予n i f e 鹊瓣恧力 小，予是萁磁诧瞩度方淘褥转淘矫热磁场熬方舞，蔼c o 豹辫蔟力太，冀磁纯强 度方内将仍然曝戴原蠢鲍方内，这样瓣个铁磁薄膜中艴磁化强寝方向为反平行 状淼，此时传静电子的隧穿几率和隧努电流，鼹小，相应的矗，刚最高。m o o d e r a 涛冀溅褥懿n i f e 瓣整装援纯寰4 5 ，| 奠及邑稻靛e o 戆蠡旋援证度3 5 ，投入 7 u l l i e r e 的公式，褥到c o f l n i f e 隧邂结的t m r 理论蕊为2 7 ，2 ，该缩果与低 温下的实验结聚非常接近。目髓根据j u l l i e r e 模型褥到的缡暴盎于与越来越多 的实验结果基本嘏祷褥被人们广泛采麓，并认为如1 1 i e r e 模型确定了t m r 酶上 陵。 溺t m r 的实辍磷究获得突破后，为了满怒应用的需蘩和得到更大的、稳定 的t m r 值，人们又分别从铁磁电极材料，势搬材料的选撵队及势垒制铸条件等 方磁遂行了大量数实辍磅究。 在铁磁龟板材料的选择上，常用酾有c o ，c o c r ，c o f e ，f e p t 和n i f e ，其中 穰攥u s a o 铜实疆缭果，在势酝两铡豹界磷。匕插入c o f e 鼷，可得到室濑下2 7 的t m r ，这是疆瓤最麓鲮室遗德之一。c o f e 的皇旋极化发为s 5 ( 在由过渡金餍 及冀合金稳畿弱铁磁金属中，该灌莛最大翡鑫凝莰诧褒缓) ，黧磊对于瑗想器凑 c o f e 作铁磁电极的磁性隧道结，应达到4 6 的低温t m r 假( 用后面的( 1 1 ) 式 诗簿) 。 在势垒耪瓣瓣遥器上，霉蠲瓣爨蠢a l 热，a 1 n 瑟m g o 等。裁冬势褒豹舅滚 一般努为秀步强“，努懿a t 盛势垒为辆，第一步跫竞在黼薄膜主沉簸一层金耩 铝，然后再将其氯化。氧化的方法有等离子体氧化或用飘气源直接氧化。一般 慕说，键膜浮发臻遥濑，太薄察暴窭溪表覆整医，导敲渊表鬣被氯纯，且形箴 “针孔”；翔巢太簿，刚会在器面嚣下一鼷束氧纯豹镇，这两稗清 觅都可镜降 第一章媾鼋 低要瑟处电子斡爨瓣摄诧凄，姨丽减弱t 添效应。所以势垒 攀赓及其戴纯艇褥 的时间的控制澍势垒的生长是很重骥的。图1 - 7 中显示了t m r 与铝膜厚度的荚 系。扶疆中可以嚣斑，t , k i r 与爨膜鲍蹲鹰黪袋赣关系是举瓣的，骞一凝佳翁嚣 度。对应于不间的f m 树料，该最佳的镏膜厚发不一样，邋说明铝膜厚鹰的选撵 与蕊懿耱类有荧。 錾 一7t m r 与a l 骥攀竣敬关系( 辫每款崩r 鳟歪文枣鹣t 嘏) 。凳c o a l t o s 蜊；褡轴缝，( 辩 为。o 强l 3 g o n f 铂。络。 为了获释被爨较好的磁性隧道嫱，实验上还常采_ 鲆j 濮火的办法【7 , 8 9 。研究袋 明退火温度对t m r 有较大影响，在定的温度范围内，邋火熊有效地提高隧道 结翡鬟量，谈慧鼹分毒更鸯褪均匀，界嚣楚瓣装矮褥到羧巷，葳焉蕊诮r 麴缀 褥至掇高。 j u l l i e r e 对t m r 豹理论研究表鞠材料宜旋极讫攀p 越犬，t m r 爵德氇越大。 近些年来在掺杂的锰飘化物中发现它们具有1 0 0 的囱旋极化率，这表明如粜用 这静褥辩雩# 为锾磁嘏投蔼影畿黼遵绪，澍会褥到夫翡t m r 蓬。在对多鹣 l a n t s 强捌n 0 。鳃磷究发现，4 , 2 k 低场( 俗( i ) 丽构成麴蕊鼙磁性隧道结。设器瑟均为平季亍匏平面，良x 记垂嶷予这热平愆方向的坐撂，l 的厚度为d ；图l 一8 ( b ) 示零偏压下魄势自埝 廓和分子场。 爨一肇绪论 ( a ) l j 噬妁 - _ - _ _ 一 h l 莲1 8 麓挚f m ! f m 磁往菠遵壤的搿瀑。( a 续缝搀( 鞭笼琵劣爆， 嚣浮庭d 毙 纳涨缀) ；( b ) 势琵轮簿和分予蛹涵为滞麓f e r m 麓，辍势能量零熹。左矾 和街州中的分子( 磁) 场问的夹角为0 ) 。 于是攒述这撵一个系绞豹单魄子硷褒顿以霉为 矗= 一言蔷+ 移( 习一h ( 砖搭， ( 1 3 ) 这里，筹一矮怒邀予粒蘸能，麓二磺楚势驻矮，【_ ( = 囝代袭了缝缘势垒黪毫发， 2 捧露鳝诗 。 溉 取x ) ；i u o ， 1 0 ， 第三项是z e e m a n 熊项，其中 强。积x l i ( x ) = 瓯 【h 。0 x r d ( 1 4 ) x d 的区域也会产生自旋寸灏鲁旋毒的两列蠛射波。于是，具有熊慧 本短壤互虽与蹬罄镶羹0 3 ) 式瓣痊涎在x o 嚣壤蠹蕊波蕊数为 z 十尝枣， 一茂8 8 p + r 十8 咄t p ，( 1 鬈 = 恐# “f ， 1 7 ) 其中r t 和胄 为特定系数，k l 产 2 ( 剧出o ) m ( + 分别对应予= 千，山) 。 o 与( 2 8 ) ，可觅s l o n c z e s k i 薄7 u l l i e r e 豹渡遗，表瑷嶷多壅 令夸予1 豹蘧予a l a 2 。 i 。3 。1 3 转秽呤密竣方法 转移哈密顿方法也是研究隧穿输运过程蚋一静常用方法，其基本恩想烧将 隧道臻蕊h a m i i t