（理论物理专业论文）铁磁体绝缘体铁磁体磁性隧道结中的隧穿时间研究.pdf

中文摘要 铁磁体绝缘体铁磁体磁性隧道结 中的隧穿时间研究 理论物理专业 研究生郭雪林指导教师李玲 摘要近年来，一种由两层铁磁金属( f m ) 夹一薄的绝缘层( i ) 所构成的磁性 隧道结，即f m n i f m 型磁性隧道结，因其具有较高的隧穿磁电阻( t m r ) 和较低 的功率损耗，而在传感器和磁记录读写器等方面有重要的应用价值，所以对这 种磁性隧道结的研究引起了人们极大的关注。在过去的十年，随着微型隧穿器 件的发展，隧穿过程的时间成为研究者关注的对象。由于隧穿时间是评价不同 电子器件性能的重要参数，所以除了其内在的量子力学意义外，对理解高速器 件的隧穿过程也有重要意义。 ， 在第一章，我们介绍了自旋电子学的发展过程和电子的自旋极化，并简要 介绍了磁性隧道结系统的研究意义和概况，随后对隧道磁电阻效应的相关机制 作了简要的概括，分析了j u l l i e r e 模型和s l o n c z e w s k i 模型两种常见的理论解 释。最后简要介绍了隧穿时间研究的发展过程并介绍了量子隧穿时间的几种描 述。 在第二章，在相位时间定义的基础上，研究了铁磁金属一绝缘体铁磁金属 磁性隧道结中自旋相关电子的隧穿时间随两铁磁层磁矩之间夹角，势垒宽度和 电子入射能量的变化。其目的一方面在于揭示已知量子结构中的新效应及物理 机制，另一方面在于为可能的新型量子器件的设计开发提供理论依据。 关键词：自旋电子学磁性隧道结隧穿时间相位时间 r e s e a r c ha b o u tt u n n e l i n gt i m e i nt h e f e r r o m a g n e t i n s u l a t o r f e r r o m a g n e tm a g n e t i c j u n c t i o n m a j o r ：t h e o r e t i c a lp h y s i c s p o s t g r a d u a t e ：g u ox u e l i n s u p e r v i s o rp r o f e s s o r ：l il i n g a b s t r a o t ：r e c e n t l yb e c a u s ei t sh i g h e rt 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 dl o w e rp o w e rd i s s i p a t i o np l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nf i e l ds e n s o ra n dm a g i l e t l c r e c o r d t h es t u d yo nat u n n e lm a g n e t i cj u n c t i o nc o n s i s t i n go ft w of e l l r o m a 印e t l c l a y e r ss e 口a r a t e db yat h i ni n s u l a t o r ( i ) l a y e r , t h a t i sf m i f mt u n n e lm a g i l e t l c t u n n e l i n gj u n c t i o n ，h a s a t t r a c t e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o n w i t h t h ea d v a n c eo n m i n i a t u r i z i n gt u n n e l i n gd e v i c e s ，t h et i m ea s p e c to ft h et u n n e l i n gp r o c e s sh a sb e e n t 1 1 ef o c u so fm u c hr e s e a r c hi nt h e l a s td e c a d e b e y o n di t s i n t r i n s i cq u a n t u m m e c h a n i c si n t e r e s t ，t h es i g n i f i c a n c eo ft u n n e l i n g t i m ec o m e sf r o mt h er e q u i r e m e n t o f u n d e r s t a n d i n gt h et u n n e l i n gd y n a m i c si nh i g h s p e e dd e v i c e sd u e t ot h ef a c tt h a tt h e 蚀m ei so n eo fk e yp a r a m e t e r sf o ru l t i m a t ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no f d i f f e r e n tk i n d s o fe l e c t r o n i cd e v i c e s h lt h ef i r s t c h a p t e r , w e i n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n t o fs p i n t r o n i c sa n q s p i n - p o l a r i z a t i o n ，a n da l s os i m p l y i n t r o d u c es i g n i f i c a n c ea n ds u r v e yo ft h e 嫩瓯e t i ct u n n e lj u n c t i o n ss y s t e m 。t h e nt h ec o r r e l a t i v em e c h a n i s mo ft h et m r e 毹c ti s 嘶e n yg e n e r a l i z e d f o l l o w i n g ，w ea n a l y z e dt h et w of a m i l i a rt h e o r e t i c a l e x p l a n a t i o n so fj u l l i e r em o d e la n ds l o n c z e w s k im o d e l f i n a l l y , w ei n t x o d u c et h e d e v e l o p m e n ta n ds e v e r a ld e s c r i p t i o no ft u n n e l i n g t i m e h lt h es e c o n dc h a p t e r , b a s e do nt h ep h a s et i m ed e f i n i t i o n ，w ei n v e s t i g a t et h e l i a b s t r a c t s p i n d e p e n d e n te l e c t r o nt u n n e l i n gt i m eo ff m i ( s ) f mm a g n e t i cj u n c t i o nw i t ht h e v a r i a t i o no ft h ea n g l eb e t w e e nt h et w om a g n e t i cm o m e n t so ft h et w of e r r o m a g n e t l a y e r s ，t h ew i d t ho ft h eb a r r i e ra n dt h ei n c i d e n te n e r g y i na d d i t i o n ，w ei n d i c a t et h e n e we f f e c ta n dp h y s i c a lm e c h a n i c so ft h i sq u a n t u ms t r u c t u r e w ee x p e c tt op r o v i d e s o m eu s e f u li n f o r m a t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to fn o v e lq u a n t u md e v i c e s w i t ho u r w o r k k e yw o r d s ：s p i n t r o n i c sm a g n e t i ct u n n e lj u n c t i o nt u n n e l i n gt i m e p h a s et i m e l l i 四川师范大学学位论文独创性及 使用授权声明 本人声明：所呈交学位论文，是本人在导师奎坠熬蕉指导 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 不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。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。本声明的法律结果由本 人承担。 本人承诺：已提交的学位论文电子版与论文纸本的内容一致。如因不符而 引起的学术声誉上的损失由本人自负。 本人同意所撰写学位论文的使用授权遵照学校的管理规定： 学校作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在大学拥 有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交印刷 版和电子版学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库供检 索；2 ) 为教学、科研和学术交流目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的 学位论文作为资料在图书馆、资料室等场所或在有关网络上供阅读、浏览。 本人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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：却啉 签字日期：1 年乡月w 日 i 导师龆会氽 签字吼。7 年f 月加日 第一章引言 第一章引言 1 1 自旋电子学的发展 半导体与磁性物质是凝聚态物理中最重要的两个研究领域，在这两方面基 础科学的研究成果，后来也分别成为世界高科技如信息电子工业最重要的基石， 相关的产品也大约各占有信息产值的一半。半导体和磁性物质分别在信息领域 各自占有不可替代的地位。半导体主导的运算和磁性材料构成的资料贮存功能 这两者构成一部我们日常生活中最为熟知的信息产品“计算机 ，运算与资料贮 存可以说分别是半导体与磁性物质在应用上到目前为止最重要的功能之一，但 长期以来两者基本上却是独立于彼此，鲜有具体相互影响的共同领域。虽然有 一些前瞻性的想法，尝试结合两者的特性发展新一代的器件，但无论在基础研 究和工业应用上，磁性物质与半导体的跨领域互动并不多见。近几年来，随着 纳米结构的需求与亚微米甚至纳米技术的进展，一个跨越半导体和磁性的研究 与产业的新领域已渐渐成形。这个新的领域称之为自旋电子学( s p i n t r o n i c so r s p i n e l e c t r o n i c s ) 。 目前以电子电荷为基础的电子学即将达到其技术极限，全世界的科学家纷 纷把电子学研究的目光投向这个新兴领域的研究。自旋电子学研究以电子自旋 为信息载体，而不再是传统意义上的电荷，把微电子学和自旋效应结合起来， 从而为设计新型器件提供基础。从材料的观点来看，自旋电子学包含了磁性物 质和半导体的交集( 如磁性半导体的领域) ，或者是在微结构以及纳米结构中相 互组合成具有磁与电传导特性的新组件材料( 如多种磁电阻材料) 。从物理的 角度来看，自旋电子学考虑了在普通半导体或普通导体中忽略的电子自旋特性。 结合半导体的特性，自旋电子组件中的运作不再是或不仅仅是如一般半导体组 件中利用偏压来控制，而是增加了电子自旋的控制参数。以自旋为载体的薪型 量子器件以大信息，高速度，低损耗，永久性等优点越来越受到世界各国 的重视。 自旋极化输运可以说是自旋电子学中最核心的观念。一般在非磁性半导体 或金属中我们无法区分具有不同自旋的电荷载流子的传导特性，可是在许多特 殊的磁性结构中，因为带有不同自旋的电子具有不同的传导性质，使得在定 磁性结构的排列中可以得到不同的电性传导或电阻。理论上，对于在f e r m i 能 第一章引言 上自旋念密度分布不同都会产生自旋极化输运。对于普通金属，例如c u 自旋向 上和自旋向下的电子数目相同，故没有极化电流而对于铁磁金属，为了避免高 能电子在f e r m i 能处有高的密度，导致体系的能量过高，自旋向上态和自旋向 下态的能级存在一个劈裂，通常称之为“交换劈裂”，这样系统自旋的能量最低， 体系也趋于更稳定。由于这个自旋分布不平衡的存在，就会产生部分的自旋极 化电流。随着纳米技术的大幅进步，配合显微探针的使用，使得人们可以把一 般自旋依赖传导性质在集体或直观的行为表现( 如磁电阻) ，从微观的角度( 如 单电子隧穿现象) 来做一个根本的检视，甚至能了解到磁畴壁( d o m a i nw a l l ) 对自旋电子传输的影响。这方面的研究尤其需要微结构或纳米结构技术与材料 生长和显微技术的配合。 汤姆生于1 8 5 7 年发现了铁磁多晶体的各项异性磁电阻效应。磁电阻效应是 指物质在磁场作用下电阻发生变化的现象。但是由于当时科学技术水平和条件 的局限，磁电阻效应在一个多世纪内并未引起人们太多的关注。 二十世纪七十年代初，t e d r o w 和m e s e r v e y 对铁磁体超导体异质结进行 了一些试验研究，发现在铁磁金属薄膜中产生自旋极化电流。试验中电流通过 一个非磁绝缘势垒，到达一个超导金属薄膜。分析通过势垒到达超导中电流的 自旋状态，利用极化率公式得到铁磁金属的自旋极化率是4 4 ，对于钴和镍分 别是3 4 和1 1 。 1 9 7 5 年，另一个重要的进展是j u l l i e r e 采用f e g e c o 三层膜结构来测量两 个铁磁膜电极之间电子通过半导体g e 的隧穿电流憎在第一个薄膜费米能处产生 的自旋态会被第二个薄膜费米能处以相同的自旋态接受。如果两个铁磁薄膜的 磁矩平行，自旋向上的电子将会到达自旋向上的态，自旋向下的电子到达自旋 向下的态。但是如果磁矩反平行，自旋向上的电子寻找第二个薄膜自旋向下的 空态，自旋向下的电子寻找第二个薄膜自旋向上的空态。由于两侧金属薄膜费 米面上自旋状态不同，这种情况下隧穿过程就被抑制了。j c s l o n c z e w s k i b 对此结构的电导做了理论分析，得出了平行结构比反平行结构有更高的电导的 结论。 上述试验现象的发现极大地促进了相关商品的快速转化，其中最好的例子 就是巨磁电阻效应在磁性存储方面的应用。j u l l i e r e t 2 ，在对铁磁体半导体铁磁体 2 第一章引言 隧穿结的研究中发现了巨磁阻效应1 ( g i a n tm a g n e t o r e s i s t i v ee f f e c t ，g m r ) 。g m r 是在由铁磁层与非铁磁层交替构成的人造薄膜材料中被观察到的，它是一种量 子力学效应晦，。这种多层膜的单层厚度仅为1 3 姗。当铁磁层的磁矩平行排列 时，材料的电阻最小；而当铁磁层的磁矩反平行排列时，材料的电阻最大，这 就是巨磁阻效应。通过该结构的电流既可以垂直于界面也可以平行于界面。 1 9 8 8 年巨磁阻的发现被认为是自旋电子学的开端，目前已经有许多基于巨 磁阻效应的电子器件。自旋阀是由两个铁磁层( 通常是镍、铁和钴的合金) 和一 个非磁的金属( 通常是铜) 构成的三明治结构阳，。自旋阀器件基于g m r ，两个铁 磁层中一层磁矩被固定( p i n n e d ) ，即这层的磁矩对外场的调制不敏感，而另外 一个铁磁层相对自由，它的磁矩很容易改变，既使外场很微弱。典型的自旋阀 的磁阻比是5 一1 0 。这个装置可以用来测量和监督磁场。硬盘的读磁头是 自旋阀的一个重要应用。由g m r 自旋阀制作的磁头的市场占有率由原先的5 增加到现在的2 0 ，由于存储密度的增大，将来的硬盘读磁头必将是g m r 自旋 阀制作的磁头h ，。还有一件类似的重要器件一一磁隧道结哺r e ，( m a g n e t i ct u n n e l j u n c t i o n ，m t j ) ，其结构与自旋阀很类似，只是在固定层和自由层之间加入一个 薄的绝缘层，通常是氧化铝。隧穿电阻和自旋阀一样由外场来调节。m r 在2 0 - - 4 0 之间。因为隧穿电流比较小，m t j 装置似乎具有比较高的电阻。 在短短十几年间g m r 己成功的用在微磁感测、磁记录读取头，m r a m 等。自 旋电子学能否成为本世纪的新科技，要看自旋电子组件什么时候可取代微电子， 虽然自旋晶体管还在实验室阶段，但集成自旋电子电路已经不再遥不可及，依 照目前科技趋势来看，小就是美，并且自旋电子电路与半导体制造过程非常兼 容，若纳米尺度的蚀刻技术更趋成熟，这时自旋电子将会逐步取代微电子成为 工业的主流。大部分的专家认为自旋电子组件除了可大量提升磁性储存的密度 之外，并有可能在廿一世纪取代半导体而重新夺回其在计算机刚出现时的霸主 地位。 1 2电子的自旋极化隧穿 对于普通金属，电子是自旋简并的，不存在净的磁矩，费米面附近自旋向 上和自旋向下的电子态密度完全一样，输运过程中的电子流是非白旋极化的。 第一章引言 但对于铁磁性元素如f e 、c o 、n i 等，其外层电子为3 d 和4 s 电子，当它们形成 金属或合金时，其4 s 电子形成很宽的能带，近于自由电子状态。d 电子形成窄 能带( 带宽约为几个e v ) ，由于交换相互作用，自旋向上的予带与自旋向下的 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。这样自旋向上的子带全部或绝大部分被电子占据，而自旋向 下的子带仅部分被电子占据，两子带的占据电子总数之差正比于其磁矩“。尽 管在费米面处还有受劈裂影响较小的s 电子和p 电子，但由于费米面处自旋向 上和自旋向下d 电子的态密度相差很大，在输运过程中电子流仍然是部分自旋 极化的1 。 自旋极化电子隧穿( s p t ) 的实验研究开始于1 9 7 0 年t e d r o w 和m e s e r v e y “外 在一定的磁场和不同偏压下对铁磁金属非磁绝缘体超导体隧道结中的隧穿电 导的测量，测量结果见图1 - 1n 3 1 。 图卜1 超导体一铁磁金属隧穿。( a ) 磁场中超导体的b c s 态密度与偏压的函数关系。( b ) 4 第一章引言 电导积分表达式中不同自旋方向与温度有关的影响函数核。( c ) 不同自旋方向归一 化电导( 分别由点划线和破折线表示及总电导( 由实线表示) 的理论值“”。 根据b c s 超导理论，超导体的电子能态密度肛( d 可表示为n p ，( ) = j p 一( 南i i 4 ) ， ( 1 1 ) 10 ( i 纠4 ) ， 这里岛( ) 是金属在正常态的电子密度，4 为超导能隙。超导体的电子态密度在 其能隙处存在十分尖锐的峰，在磁场的作用下它们将分裂为胁( 酬，即不同 自旋的两套峰；由于隧穿电导的过程是费米面处一个电极的占据态的电子转移 至另一个电极的相同自旋的空态，因而这一过程与两电极的态密度密切相关。 当施加一正电压净( a - , u 助e 于铁磁金属时，铁磁金属的费米面朝低能方向正 好位移至超导体自旋向上态密度的峰值处，所以这时隧道结的电导将为极大值。 假定在隧道输运过程中无电子的自旋翻转，那么参与输运的电子完全是自旋向 上的电子，因为即使铁磁金属的费米面处有自旋向下的电子，但对应于它们的 超导体中的自旋向下的能态处在费米能隙中，因而是完全禁戒的；如果在铁磁 金属上加一负电压净一( 小脚p ，铁磁金属的费米面则朝高能方向恰好位移至 超导体自旋向下态密度的峰值处，这时隧穿电导亦取极大值，而参与输运的电 子完全是自旋向下的电子。所以超导体电极在这里起着自旋探测器的作用。由 于铁磁金属中电子自旋向上与自旋向下的载流子数不等( 即自旋极化) ，这样上 自旋和下自旋电子对总隧穿电导的贡献不同，其结果将导致隧穿电导与偏压关 系曲线的非对称性。从这一非对称性出发，便可以得到铁磁金属费米能级处传 导电子的自旋极化率。电子自旋极化率的定义为“卅 p ：坐二丝= 2 a 一1 ( 1 2 )= 上i = 一1 ( 1 2 ) n 七nl _ a ：? 乓， ( 1 3 )= - 。k l 一0 ， n t + nl j 此处惭、m 分别代表铁磁金属中上、下自旋电子在f e r m i 能级处的态密 第一章引言 度。利用上述方法对一些常见磁性材料的自旋极化率的测量值分别 为：n i - 3 3 ，c o - 4 5 ，f e _ 4 4 ，n i 舳f e 灯- - 4 8 ，c 0 5 0 f e 印- 5 1 ，c o 。4 f e l 6 _ 4 9 吲。 1 3 磁性隧道结 磁性隧道结陋町( m a g n e t i ct u n n e lj u n c t i o n ，m t j ) ，其结构与自旋阀很类似， 是由两个铁磁层中间夹一个绝缘层构成的三明治结构。在固定层和自由层之间 加入的绝缘层，通常是氧化铝。磁性隧道结的结构如图1 - 2 所示： 图1 - 2 为简单f m i f m 磁性隧道结的图示。f m 为铁磁层，i 为绝缘层。 以绝缘层或半导体层作为隧道势垒的磁性多层膜即磁性隧道结中存在隧穿 磁电阻( t m r ) 效应。t m r 效应属于自旋极化电子输运过程，主要来自于自旋相关 的隧穿过程。由于磁性隧道结的层间耦合微弱，只需一非常小的外磁场便可得 到较大的t m r ，所以t m r 的磁场灵敏度很高。另外，磁性隧道结本身电阻率高， 因而性能也更加稳定。 6 第一章引言 1 3 1 隧道结磁电阻效应的理论解释 1 3 1 1 j u l l i e r e 模型 1 9 7 5 年，j u l l i e r e t z ，在其所制备的f e g e c o 隧道结中发现，隧穿电导和两 边铁磁体中磁化强度的相对方向有关。在早期自旋极化隧穿的实验结果的基础 上，j u l l i e r e 提出了一个关于f m i f m 隧道结的简单模型，并用来解释其实验 上观测的隧穿电导的相对变化。该模型采用类似t e d r o w 和m e s e r v e y m ，分析隧 穿电导的方法，假设电子在隧穿过程中保持其能量和自旋方向不变，不同自旋 方向的隧穿电导与两铁磁电极中相应自旋方向的态密度成正比。这样当两铁磁 层的磁化方向平行时，其零偏压隧穿电导为 g p = c n 1 t 2 ，个+ l 。n 2 ，上】， ( 卜4 ) 这里f 为常数，朋。2 ) 。个勘分别为两个铁磁电极费米面处1 、，、l 自旋电子的态密度。 当两铁磁层的磁化方向为反平行排列时，零偏压隧穿电导则为 g 胛= c n 1 。亨2 。上+ 1 ，善2 ，t 】 ( 1 5 ) 这样由两铁磁电极的磁化强度的相对取向所引起的隧穿电导的相对变化为 丝：生= 坠：盟( 1 6 ) g | pg pl + 鼻忍。 其中 p ：丝：! 二坐( 1 - 7 ( 1 - 7 )p = 上l 生) f ，令+ i ，上 为铁磁金属中电子的自旋极化率。由于电阻的相对变化可转化为电导的相对变 化，因而零偏压下的t m r 值为 t m r ：竺= 坠二生：丝：型笠，( 1 8 ) r 胛r 舻郇1 + 鼻昱 从公式( 1 - 8 ) 可以看出，如果月和尼不为零，则磁隧道结中存在磁电阻效应， 且两个铁磁电极的自旋极化度越大，t m r 值也越大。 j u l l i e r e 的开创性工作对于后来的t m r 研究产生了深远影响，公式( 1 - 8 ) 被普遍应用于t m r 的研究领域。从j u l l i e r e 公式( 1 - 8 ) 出发，不仅可以通过测 7 第一章引言 量铁磁材料的自旋极化度来得知t m r 值，也可从( 1 - 8 ) 式出发反推铁磁金属的自 旋极化度。但j u l l i e r e 的模型不能处理t m r 与势垒高度、厚度的关系。对于一 些具体现象，如t m r 与偏压和温度的关系也不能进行处理。 为了与后面的s l o n c z e w s k i 结果进行比较，我们采用另种磁电阻定义： 办织：誓，此处g 。，：华为平均电导，于是( 1 - 8 ) 可被改写为 u 删 z tmr=2鼻最(1-8) 1 。3 。1 2s 1 0 n c z e w s k i 的近自由电子模型 1 9 8 9 年s l o n c z e w s k i 发展了另一种计算零偏压t m r 的方法。他使用自旋极 化的近自由电子模型来描述两边的铁磁金属并假定自旋向上和自旋向下的电子 是独立的且具有不同的波矢衙和n ，中间的绝缘层则用矩形( 加电压时则变为 梯形) 势垒来模拟。考虑如图1 2 那样由两个铁磁电极( f m ) 夹一层非磁绝缘 ( 半导体) ( i ) 而构成的简单磁性隧道结。设界面均为平行的平面，以x 记垂 直这些平面方向的坐标，i 的厚度为d ：于是自旋向上的电子流产生的透射几率 为 耻h 莓蟛警 ”9 ) 零温下隧穿电导由下式给出 乳瞧据赣塌) ”1 0 ) 在零偏压( 即结偏压很小) 的情况下，零温下隧穿电导主要由费米面附近 的电子提供，如果i 较厚，将( 研+ 现) 展开后只取1 d 项对积分的贡献，可以 将式( 卜1 0 ) 近似成下面的式子 g = ( p 2 8 2 2 壳) r ( 耳下+ 巧j ，) d 】 ( 1 1 1 ) 在( 1 - 1 1 ) 式的基础上，s l o n c z e w s k i 给出了在两带模型中隧穿电导随两铁 磁层中磁化强度方向的夹角的依赖关系 8 第一章引言 g = g ( 1 + 弓c o s ( 乡) ) ，l i 1 ， ( 1 1 2 ) 式中 = 耳( k t - 丽k + ) 丽( x a - k , k l ) ( 1 - 1 3 ) 平均电导靠，由下式给出 g 旷寺 等渊卜耐 相应的t m r 值为 t m r ：箬：2 ( p , a ，) ( 只彳2 ) ，( 1 - 1 5 ) 式中月和忍为铁磁金属的自旋极化度 只= ( 岛个一足f 上) ( 女f 下+ 露n ) ， ( = l ，2 ) ，( 1 1 6 ) 而a ，以为新出现的因子 4 = 擘警舶：l ，2 ) ( 1 - 1 7 )j i c l + k 膏k 。l 一 和j u l l i e r e 模型相比s l o n c z w s k i 的模型进一步考虑了势垒的影响，认为方势 垒的高度将严重影响铁磁金属和绝缘层界面处电子的自旋方向以及铁磁层之间 的交换耦合，并1 t 由它可讨论t m r 随两个铁磁层磁化强度方向之间夹角的关系。 1 。3 2 几种不同结构的隧道结的研究概况 磁性隧道结除了基本的铁磁绝缘层铁磁结( f i f ) 外，还有f i n i f 双结、f v ( 真空) f 、n f i f 等类型。为了获得磁性隧道结的自旋隧穿的完整 图像，j a n s e n 和m o f e r a n 刖在简单的f i f 隧道结的绝缘层中间掺进磁性杂质和 非磁性杂质，直接探测杂质对隧穿电子的自旋极化输运的影响。 近年来，采用了一些新的磁性材料来代替传统的铁磁材料制作磁性隧道结， 其中包括在用_ 纳米碳管联接两铁磁层的隧道结中发现了t m r 效应“m 。特别是 9 第一章引言 最近实验用磁性半导体做磁性层。最常见的磁性半导体如g a m n a s 就是在普通的 半导体g a a s 中掺进m n 而制成的，它兼有磁性体和半导体的特点，能够把信息 处理和数据储存统一于一个材料中。此外，它的有效自旋极化率随磁场的变化 而变化，实验上，已经用外延的方法成功地制作了g a m n a s a l a s g a m n a s 隧道结， 来研究磁性半导体的电子自旋极化输运现象，获得的t m r 高达7 5 2 , 2 z , 2 2 o 在过去的几年里，人们把隧道结从f m i f m 推广到半导体( s m ) 担4 圳中，在试 验上t 船】也做了大量的研究，观察到自旋从铁磁体到半导体的注入。近年来，从 实验上和理论上，人们也研究了含有超导的各种各样的隧道结，如铁磁超导体， 铁磁超导体铁磁，超导体铁磁超导体等，其中的超导体有s 波，d 波，混合 波s 波+ i d 波，甚至f 波超导体。 在铁磁超导体中，它具有邻近效应。一般情况下，影响邻近效应的重要因 素必须考虑，一是粗糙度的影响；还有一个就是电子的关联影响。当考虑界面 粗糙度时，平行于界面的动量已经不再守恒。目前已有两种方法对这个问题进 行了处理。一种是准经典理论心”，把界面处的散射看作是一种随机过程；另一 种是晶格模型理论心”，把界面问题放在实空间中进行处理，而且包括了电子之 间的关联。最近d o n g 等人啪，从格林函数出发得出了一个模型，认为界面应当看 作为一个含有复数的势垒，其可以用如下的界面有效势来描述 u 文x ) = ( u 。；一i p r o s ( x ) ，式中砜是势垒，p 描述了通过粗糙界面的散射效应。 然而，对粗糙度的研究还有待于进一步发展。 铁磁超导体铁磁双隧道结的各方面的特点也得到了广泛的研究。例如， 理论 3 0 3 u 和实验1 3 2 3 3 1 上都证实了自旋不平衡能对超导起抑制作用。在一个包含超 导体的三明治结构中，自旋极化的注入和自旋不平衡是可能的。如果给这双结 的两端加上电压时，令左端和右端的电势分别为v 2 和v 2 ，在两铁磁层的磁 化方向平行排列时，从左端进入超导体的自旋向上和向下的电子数和从右端离 开超导体的自旋向上和向下的电子数分别是相等的，因此，不会在超导体内产 生电子自旋的非平衡分布。而当两铁磁层的磁化方向反平行时，由于自旋向上 的电子在左侧是多数载流子，而在右侧是少数载流子，因此，进入超导体的自 旋向上的电子数将大于离开超导体的自旋向上的电子数，从而产生自旋积累效 应。类似地，进入超导体的自旋向下的电子数将少于离开超导体的自旋向下的 1 0 第一章引言 电子数，这就是导致电子的化学势的移动。在平衡态下，移动的化学势为 研= p e v 2 ，式中，p 是铁磁金属的自旋极化度。化学势的移动导致超导体的 电子对的破坏，从而抑制了超导体的电导率，这种抑制随电压的增大而增大。 另外，b a l a d i e 等人从理论上得到，在这种三明治结构中，当超导层的厚度比 超导的相干长度毒小得多时，它的临界温度由两铁磁层的磁化方向的夹角所控 制。 最近以来，人们也研究了一些包含铁磁层的约瑟夫森结，发现了一些有趣 的现象，其中的磁性层可以是磁性金属或者磁性绝缘体。在这种结中，铁磁超 导体即铁磁性和超导性共存引起了人们的极大关注t ”1 ，它的超导c o o p e r 对的两 个电子的动量之和不再是零，而是一个有限值q o c2 h 壳，因此会导致序参量 在实空间被调制，这里，是交换场的强度。这种情况早在6 0 年代就被f u l d e ， f e r r e l ，l a r k i n 和o v c h y i n n i k o v ( f f l o ) 3 6 j 预言和被讨论过，但是由于交换场的强 度h a 。2 时，超导态即被破坏1 3 7 ，一直没有在实验上观察到这种现象，但 是在铁磁超导体中，由于邻近效应导致的c o o p e r 对和交换电子分别向对方的 材料中渗透被认为有可能会导致铁磁超导态的存在。b e r g e r t 等人1 3 8 】的文章分别 讨论了由这种铁磁超导结所组成的双隧道结( s f i s f ) 。他们发现在两铁磁层的 磁化方向平行时，超导电流被抑制，而在反平行时，超导电流可能被抑制，也 可能被提高。 1 3 3 磁性隧道结的研究意义 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。磁随机存储器( m r a m ) 就是基于隧穿磁电 阻，它采用磁滞回线来存储数据而使用磁阻特性来读取数据。它的基本原理与 硬盘的记录原理相同，也是采用磁化的方向来记录0 和1 。只要外场不改变， 磁化的方向就不会改变，不像d r a m 为了存储资料需电流不断流动，m r a m 也不需要r e f r e s h 动作，由于磁性的永久存储特性，所以m r a m 属于非挥发的 随机存储器。其优点在于写入时间可以和s r a m 相媲美，在记忆容量上可以和 d 毗蝴相抗衡。i b m 和m o t o r o l a 均不惜余力的投入m r a m 的研发工作，声 第一章引言 称五年内可商品化，进入后d r a m 竞争时代，2 0 0 0 年台湾投资的联邦半导体 宣布研制出了1 m b 的p s e u d o 自旋阀式d r a m 。 1 4 隧穿时间 1 4 1 量子隧穿时间研究的发展过程 由于隧穿时间是评价不同电子器件性能的重要参数，所以除了其内在的量 子力学意义外，对理解高速器件的隧穿过程也有重要意义。随着微型隧穿器件 的发展，隧穿过程的时间成为研究者关注的对象。 量子隧穿发现之后不久，1 9 3 0 年c o n d o n 提出隧穿过程的速度问题m m a c c o l l ，对含时薛定谔方程进行近似波包分析，结论表明隧穿过程没有可测量 的时间此后的三十年，这个问题一直没有得到解决直到技术的进步使利用量子 隧穿原理制造的薄膜器件成为可能为了理解隧穿器件的频率限制，包括金属 绝缘体金属薄膜三明治结构，h a r t m a n u 再次回顾了这个问题通过稳相法，该 方法曾被e i s e n b u d ”，b o h m 捌和w i g n e r t 训应用于散射问题，他得到一个势垒隧穿 时间延迟的分析表达式( 群延迟时间或相位时间) ，这个和整个隧穿过程有关的 时间延迟比较短，但是的确存在1 9 世纪7 0 年代，b a z 在加外电场的自旋l a r m o r 进动的基础上，利用量子钟提出一个含时势垒的散射h “r y b a c h e n k o “6 1 把这一设 想应用于势垒隧穿的特殊情况，得到了粒子透射和反射时的l a r m o r 时间，分别 是f 备和f 乞最近研究隧穿时间的热潮应该追溯到1 9 8 2 年，b u t t i k e r 和 l a n d a u e r 提出通过调节势垒高度的方法来测