铁磁金属/绝缘体/铁磁半导体/普通金属 (FM/I/FS/NM)磁性隧道结中的隧穿磁电阻效应

在已有的单自旋过滤磁性隧道结铁磁金属/绝缘体/铁磁绝缘体/普通金属(FM/I/FI/NM)研究的基础上,将其中的铁磁绝缘层(FI)换为铁磁半导体层(FS),研究了铁磁金属/绝缘体/铁磁半导体/普通金属(FM/I/FS/NM)磁性隧道结中的隧穿磁电阻(TMR)现象.结果表明:由于FS层中的自旋过滤效应和Rashba自旋轨道耦合的影响,FM/I/FS/NM结可以在FS层厚度较大的情况下获得非常大的TMR值,从而避免已有的FM/I/FI/NM单自旋过滤结(FI表示铁磁绝缘层)中TMR随FI层厚度增加而下降所导致FI层不能做的太厚带来的制备上的困难.同时,计算结果还显示,FM/I/FS/NM结的TMR随铁磁半导体层FS的厚度,FS层中的Rashba自旋轨道耦合强度和分子场的变化呈振荡变化,随绝缘层I厚度的增加呈饱和趋势.     

Rashba自旋轨道耦合对NM/FS/I/FS/NM双自旋过滤隧道结中自旋相关输运的影响

基于转移矩阵方法和量子相干输运理论,研究了含两铁磁半导体层的双自旋过滤磁性隧道结(NM/FS/I/FS/NM,NM表示非磁金属,FS表示铁磁半导体,I表示绝缘层)中的Rashba自旋轨道耦合与自旋相关隧穿现象和隧穿磁电阻(TMR)效应之间的关系.研究结果表明:当左右两FS层的Rashba自旋轨道耦合强度相等时可得到最大的正TMR,而不等时可得到大的负TMR;在绝缘层厚度达到一定值后,双自旋过滤结可以获得稳定TMR,其正负和两FS层Rashba自旋轨道耦合强度的相对大小有关.     

NM/FS1/FS2/NM结的隧穿电导和隧穿磁电阻

利用平均场近似和转移矩阵方法,对NM/FS1/FS2/NM结(NM为非磁金属,FS1和FS2为铁磁半导体层)的隧穿磁电阻(TMR)与FS层厚度及Rashba自旋轨道耦合的关系进行了研究.结果表明NM/FS1/FS2/NM结中TMR值随半导体层厚度的改变发生周期性变化,选择适当的半导体层的厚度和Rashba自旋轨道耦合系数可以得到大的TMR值.     

铁磁/半导体/铁磁异质结中的自旋输运

在群速率概念的基础上,讨论了自旋极化电子的隧穿系数和渡越时间与半导体层厚度、Rashba自旋轨道耦合强度以及两磁性铁磁体中磁矩夹角之间的关系。结果表明:不同自旋取向的电子在隧穿铁磁/半导体/铁磁三明治异质结过程中,隧穿系数表现出振荡特性,而渡越时间则表现出明显的分离特性。     

铁磁/绝缘体/铁磁异质结中自旋极化电子的隧穿概率和隧穿时间

在群速度概念的基础上,研究了自旋电子隧穿通过铁磁/绝缘体/铁磁异质结中的隧穿概率和隧穿时间.研究结果表明:不同自旋方向的电子其隧穿概率和隧穿时间不仅与绝缘体长度和入射电子能量有关,而且强烈地依赖于两端铁磁层夹角的变化.当两铁磁层中磁矩取向反平行时,不同自旋方向的电子隧穿概率相同;而在两磁矩取向垂直时,不同自旋方向的电子隧穿时间相等.除此之外,不同自旋方向的电子无论是隧穿概率还是隧穿时间都呈明显的分离现象.     

NM/FI/NI/FI/NM新型双自旋过滤隧道结的隧穿磁电阻

在NM/FI/FI/NM型双自旋过滤隧道结(NM为非磁金属,FI和后面的NI分别为铁磁和非磁绝缘体或半导体)的基础上,提出一种NM/FI/NI/FI/NM新型双自旋过滤隧道结.基于自由电子近似并利用转移矩阵方法,对NM/FI/NI/FI/NM新型双自旋过滤隧道结在不同偏压下的隧穿磁电阻TMR与FI层厚度及NI层厚度的关系做了理论研究.计算结果表明,在NM/FI/NI/FI/NM型双自旋过滤隧道结中仍可以得到很大的TMR值.     

铁磁/半导体/铁磁异质结构的自旋极化输运

采用相干量子输运理论和传递矩阵方法,研究了具有不同自旋指向的极化电子渡越铁磁/半导体/铁磁异质结构的隧穿几率和自旋极化率.研究表明,隧穿几率和自旋极化率随半导体长度的改变发生周期性变化、随Rashba自旋轨道耦合强度的改变发生准周期变化,并且在2铁磁电极中磁矩取向平行时;选择适当的半导体的长度和Rashba自旋轨道耦合强度可以得到较大的自旋极化率.     

铁磁/半导体/铁磁隧道结中的隧穿磁电阻

采用相干量子输运理论和传递矩阵方法研究了具有不同自旋指向的极化电子渡越铁磁/半导体/铁磁隧道结的隧穿几率和隧穿磁电阻。研究表明隧穿几率和隧穿磁电阻随半导体长度的改变发生周期性变化、随Rashba自旋轨道耦合强度的改变发生准周期变化,并且在两铁磁电极中磁矩取向平行时,选择适当的半导体的长度和Rashba自旋轨道耦合强度可以得到较大的隧穿磁电阻。     

单自旋过滤隧道结中隧穿时间的研究

基于自由电子近似和Winful的隧穿时间模型,研究了铁磁金属/非磁绝缘体/自旋过滤层/普通金属(FM/I/SF/NM)单自旋过滤隧道结中自旋相关的居留时间(Dwell Time)和相位时间(Phase Time).计算结果表明,和传统的FM/I/FM结构不同,由于SF层的作用,在SF层和FM层中分子场处于反平行排列时上下自旋电子的透射率并不相等.在高能区(入射能量大于势垒高度),由于自干涉项影响大大减小,不同自旋方向电子的相位时间和居留时间趋于相同.在低能区(入射能量小于势垒高度),自干涉项影响增大,不同自旋方向电子的相位时间和居留时间会出现差别.其中非磁绝缘层和自旋过滤层的势垒高度,自旋过滤层的宽度以及自旋过滤层中分子场的变化,会导致上自旋电子的相位时间和居留时间出现明显差距.而对于下自旋电子,其相位时间和居留时间的不同,主要由自旋过滤层相应参数的变化决定,非磁绝缘层势垒高度变化的影响较小.     

铁磁/半金属/铁磁隧道结中的自旋极化输运

运用量子力学的隧穿方法讨论一个铁磁/半金属/铁磁隧道结(FM/HM/FM)中的自旋极化输运和隧道磁电阻(TMR).结果表明:当选定半金属材料自旋向上子能带呈现金属性时,自旋向上和自旋向下电子的隧穿系数都表现出共振隧穿特性.发现TP↑↑与α,u和△m↓-△m↑的取值无关,但随着这些量的增加,TP↓↓和TAP振荡逐渐加快,峰也变得更为尖锐,并且相邻峰之间的间距也逐渐变窄.更重要的是,当这些系数取值合适时,TMR值明显增大.可见,半金属材料对提高隧道结的磁电阻是十分有利的,只要选取合适的参数便能得到较理想的结果,从而有利于提高磁性存储器等磁性元件的性能.     

双势垒磁性隧道结中电子的自旋极化输运

 采用相干量子输运理论和传递矩阵方法,数值计算了两端具有铁磁接触的双势垒异质结构(F/DB/F)中自旋相关的隧穿几率和自旋极化率。结果表明,隧穿几率和自旋极化率随阱宽的增加发生振荡周期不随垒厚变化的周期性振荡;Rashba自旋轨道耦合强度的增加加大了隧穿几率和自旋极化率的振荡频率;隧穿几率和自旋极化率的振幅和峰谷比强烈依赖于两铁磁电极中磁化方向的夹角。与铁磁/半导体/铁磁（F/S/F）磁性隧道结中的结果相比,发现垒厚的增加增大了隧穿几率和自旋极化率的峰谷比,自旋极化率的取值明显增大,并具有自旋劈裂和自旋翻转现象出现。     

磁性隧道结自旋极化电子隧穿的温度特性

基于自由电子模型，我们研究了铁磁金属／绝缘体（半导体）／铁磁金属隧道结自旋极化电子隧穿的温度特性。从我们的结论可以定性地解释有关的实验现象。     

磁性隧道结自旋极化电子隧穿的温度特性

基于自由电子模型，研究了铁磁金属／绝缘体（半导体）／铁磁金属（ＦＭ／Ｉ（Ｓ）／ＦＭ）隧道结自旋极化电子隧穿的温度特性。从结论可以定性地解释有关的实验现象。     

具有有限铁磁层厚度的磁性双隧道结中的隧穿电导和磁电阻

在FM／I／NM／I／FM磁性双隧道结研究的基础上，进一步考虑了外加有限厚的非磁金属(NM)覆盖层的情况，这时磁性双隧道结的结构变为NM／FM／I／NM/I／FM／NM。此处，FM、I和内NM都具有有限厚度。而在理论处理中，外NM被看做是无限厚的，对FM厚度于磁性双隧道结中自旋极化电子输运性质(特别是隧穿磁电阻)的影响做了研究。用Slonczewski近自由电子模型所得到的计算结果表明，附厚度的变化会引起隧穿电阻和隧穿磁电阻振荡；当FM厚度取适当值时，会得到比FM/I／NM／I／FM更大的隧穿磁电阻。     

Rashba自旋轨道耦合效应对散粒噪声的影响

计算了自旋电子隧穿铁磁/半导体/铁磁异质结的隧穿系数.根据Landauer-Büttier公式及其理论框架,计算了零温时的散粒噪声和电导,对散粒噪声和电导的函数曲线进行了对比分析,讨论了它们和Rashba自旋轨道耦合效应及量子尺寸效应的关系.     

铁磁/绝缘体/铁磁隧道结中的自旋流

考虑粗糙界面散射和自旋翻转,运用Slonczewsik模型,我们研究了铁磁/绝缘体/铁磁中的磁性隧穿,得到自旋电流密度表达式.在界面势垒比较低时,自旋电流受随粗糙界面散射和自旋翻转的强度改变明显.     

准一维磁性隧道结中的散粒噪声

基于自由电子近似,研究了铁磁金属/绝缘体/铁磁金属(FM/I/FM)隧道结中的散粒噪声.计算结果表明:不同自旋取向的电子Fano因子随绝缘体厚度的增大而增大;当绝缘体厚度较小时,上、下自旋电子的Fano因子随入射电子能量的增大缓慢减小,当绝缘体厚度较大且电子能量处于低能区时不同自旋方向的电子Fano因子相同,但在高能区上、下自旋电子Fano因子急剧减小且出现共振特性.此外,上、下自旋电子的Fano因子随两端铁磁体中分子场和磁矩夹角的变化表现出明显的分离特性.上、下自旋电子的Fano因子和隧穿电导随绝缘体厚度和入射电子能量的变化位相始终相反.     

铁磁/半导体/铁磁异质结中电子的自旋翻转及磁电阻效应

考虑半导体中自旋轨道耦合作用的自旋翻转效应及铁磁半导体边界处的界面势垒作用,研究了自旋极化电子在准一维铁磁/半导体/铁磁(F/S/F)异质结中的输运行为.数值结果表明,随着界面势垒的增大能够实现电子自旋的翻转.随着两边铁磁体磁化方向夹角的变化,磁电阻在夹角为π处出现正负转变,而且磁电阻正负值的绝对值关于夹角π不对称,这些现象均起源于Rashba自旋轨道耦合作用而不是Dresselhaus自旋轨道耦合作用.与Dresselhaus自旋轨道耦合作用相比,Rashba自旋轨道耦合作用更能增大磁电阻效应.     

铁磁/绝缘层/有机半导体/铁磁多层膜隧道结的隧穿磁电阻的温度和偏压特性研究

采用Slonczewski的近自由电子模型, 利用转移矩阵的方法, 研究了铁磁/绝缘层/有机半导体/铁磁隧道结的自旋极化载流子隧穿的温度和偏压特性. 计算了T=4 K和T=300 K时, 隧穿磁电阻(Tunneling Magnetic Resistance, TMR)随偏压的变化关系, 同时还研究了零温时在有限偏压下隧穿磁电阻TMR与绝缘层厚度、有机半导体层厚度以及铁磁/有机半导体界面势垒U的变化关系. 我们的计算结果较好地解释了有关的实验 结论.     

自旋反转效应对铁磁/绝缘层/铁磁结中的隧道磁电阻的影响

考虑到自旋反转效应,用量子力学隧穿方法,计算铁磁/绝缘层/铁磁结中的隧道磁电阻,计算结果表明自旋反转使铁磁/绝缘层/铁磁结中的隧道磁电阻减小.