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.     

成份依赖的软磁材料CoFeB和CoFeSiB

采用磁控溅射技术制备了两种不同的富钴非晶磁性材料CoFeB和CoFeSiB.对它们的磁特性与成分的依赖关系以及作为磁性隧道结自由层的翻转特性进行了研究.在大块材料样品状态下(厚度约为1μm),CoFeB的矫顽力可达到2.51×10-2A/m,CoFeSiB则显示出1.25×10-2A/m的矫顽力.而对于磁性隧道结的磁电阻测量表明:CoFeB薄膜的自旋极化对钴含量非常敏感,从而导致隧道结磁电阻值也发生明显的变化.相比较而言,CoFeSiB的翻转特性由于钴含量的变化而受到很大影响,而自旋极化对钴含量的依赖不甚明显,在很高的钴含量(80%)时达到饱和.结果表明,通过适当的调整非金属元素Si和B的含量,可以很好的调整CoFeSiB的软磁性能而有望满足下一代高密度自旋电子学器件对于材料的苛刻要求.     

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.     

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。     

外磁场和电流共同驱动的磁纳米柱中磁矩动力学

针对自由层与自旋极化层均为垂直磁各向异性材料的磁纳米柱结构,基于Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski(LLGS)方程,利用微磁学模拟方法,研究了外磁场和电流导致的自旋转矩效应所驱动的自由层磁矩翻转特性.模拟结果显示磁矩翻转曲线中出现了多个"凸起"的非正常翻转状态;且凸起区域出现的位置与外加磁场大小、纳米柱尺寸和垂直磁各向异性相关,而与极化层磁矩的倾角大小无关.在自旋极化层的磁矩倾角给定时,凸起区域出现的磁矩状态有亚稳态、振荡态、稳定态3种.给出建立了它们随磁场和极化层倾角变化的参数相图.     

隧道巨磁电阻效应的研究与应用

1974年,Slonczewski提出的铁磁金属／绝缘体／铁磁金属(FM／I／FM)结构中存在隧道巨磁电阻(TMR)效应,当两铁磁层磁化方向平行或反平行时,FM／I／FM隧道结将有不同的电阻值。很快,Julliere在Fe／Ge／Co隧道结中证实了这一点。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,称为隧道磁电阻效应。随后,人们对一系列FM／I／FM磁隧道结的输运性质进行了研究。由于磁隧道结中两铁磁层间不存在或基本不存在层间耦合,     

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.     

磁性半导体隧道结中自旋注入效率的温度效应

利用了隧道哈密顿方法研究了稀磁性半导体(DMS)到非磁性半导体(SM)隧道结中自旋注入效率与温度的关系.计算表明,随着温度的升高,自旋注入效率逐渐降低.这主要是由两方面的原因引起的,其一温度升高稀磁半导体的极化率降低;其二温度升高自旋反转隧穿增加.     

磁性隧道结中自旋相关输运的势垒影响

为了研究势垒对铁磁/绝缘层/半导体/绝缘层/铁磁(FM/I/SM/I/FM)双隧道结中自旋相关电子输运特性的影响,提出了在半导体层厚度合适的情况下,非对称势垒对于提高平行结构磁性双隧道结的自旋注入效率SIE(spin injection efficiency)更具优势.数值计算结果表明,当两势垒强度的比率达到合适数值时双结的SIE和隧穿磁电阻TMR(tunneling magnetore resistance)都将达到最大,这给提高从铁磁到半导体的SIE带来新选择.研究还表明,非对称势垒结构磁性隧道结中增大铁磁交换能对提高SIE和TMR都是有益的,而且铁磁交换能的增加对SIE的提高要比对TMR的提高更显著.     

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.     

磁交换作用对铁磁/dx2-y2+idxy混合波超导结隧道谱的影响

考虑到铁磁层中的磁交换作用和界面势垒的散射效应,利用推广的Blonder-Tinkham-Klapwijk散射理论,计算了铁磁/dx2y2 idxy混合波超导结中的准粒子输运系数和自旋极化的隧道谱.研究表明:(1)铁磁/dx2-y2 idxy混合波超导结中自旋极化的隧道谱能较好地解释La2/3Ba1/3MnO3/DyBa2Cu3O7隧道结中观察到的零偏压电导凹陷的实验结果;(2)在△2/△1=1的情况下,磁交换作用和界面势垒散射可压低峰值,且导致隧道谱逐渐演化出四个电导峰;(3)虚的Andreev 反射过程对铁磁/dx2-y2 idxy混合波超导结的隧道谱有显著影响.     

以铁磁绝缘体和铁磁半导体为势垒层的隧道结中的隧穿时间与自旋极化率

基于Winful的隧穿时间模型,对普通金属/铁磁绝缘体/普通金属(NM/FI/NM)、普通金属/铁磁半导体/普通金属(NM/FS/NM) 2种隧道结中的隧穿时间(居留时间和相位时间)和自旋极化率进行了研究.NM/FI/NM结中隧穿电子的自旋极化源于FI层的自旋过滤效应.而NM/FS/NM结中隧穿电子的自旋极化则源于FS层中磁性和Rashba自旋轨道耦合效应的共同作用.计算结果表明:在NM/FI/NM隧道结中,随着铁磁绝缘体层势垒厚度的增加,自旋极化率变化逐渐增加到趋于饱和并始终保持为正值.与之相应的自旋上下电子的居留时间和相位时间也随着增加,但自旋向下电子的隧穿时间总是大于自旋向上电子.铁磁绝缘体层中分子场的增加会导致自旋极化率逐渐增大并始终为正,相应的自旋向下电子的居留时间和相位时间总是大于自旋向上电子,但自旋向上电子的时间逐渐增加而自旋向下电子则相应减少.铁磁绝缘层势垒高度的变化会导致自旋极化率从负到正的转变.当自旋极化率为负时,相应的自旋向上电子的隧穿时间大于自旋向下电子的隧穿时间.在NM/FS/NM结中,由于Rashba自旋轨道耦合作用,自旋向上电子和自旋向下电子的隧穿时间随铁磁半导体层的厚度、分子场和Rashba耦合系数的变化呈现出周期性振荡变化的趋势.与之相应的自旋极化率从正到负,也呈周期性的振荡变化.但当自旋向下电子的隧穿时间大于自旋向上电子的时候,极化率为负,反之为正;这个结果和NM/FI/NM隧道结中的情况刚好相反.     

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.     

自旋注入效率的电学探测

为了探测从铁磁FM（ferromagnet）到半导体SM（semiconductor）的自旋注入效率,可以通过增加另一个铁磁体来形成一个铁磁／半导体／铁磁（FM／SM／FM）的双结,通过直接测量此双结的磁阻效应,从而得到从铁磁（FM）到半导体（SM）节的自旋注入效率。理论分析发现其隧道磁阻TMR（tunnelling magnetore resistance）和自旋注入效率SIE（spin injection efficiency）之间有个普适关系：隧道磁阻是自旋注入效率的平方。这种平方关系在顺序隧穿区和散射区都成立,除非双结间半导体层厚度很长导致自旋翻转效应的发生或中间的半导体层厚度小于其相位相干长度而导致磁阻中出现量子相干效应。     

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.     

自由边界条件的二维无规混合磁性系统磁特性的微磁学研究

采用能量极小原理的微磁学方法对异类自旋组成混合Heisenberg自旋体系进行模拟计算，研究比较自由边界条件和周期边界条件下的二维铁磁／反铁磁无规混合系统的磁特性，发现在自由边界条件(FREE)和周期边界条件(PERIOD)下的二维无规混合磁性系统的M—H磁化曲线的阶梯效应中存在异同。通过二维Ising模型和自旋组态的研究，解释自由边界条件下系统的平均自由度较周期边界条件下系统的自由度大是产生阶梯效应差异的原因。     

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.     

复相多铁材料中电场调控自旋的翻转

电场调控的自旋翻转因在低能耗高密度的新型存储器件中有巨大的应用潜力而受到人们的广泛关注.在复相多铁材料中,利用磁电耦合效应有可能实现电场调控自旋的翻转.我们在CoPt/PMN-PT异质结中,利用电场调控矫顽力的变化,实现了电场调控自旋的翻转.在铁磁形状记忆合金Mn-Ni-Sn与0.7Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.3PbTiO3组成的复合材料中,通过电场调控交换偏置场的变化,无需偏置磁场就可以实现电场调控自旋的翻转.     

铁磁-绝缘层-d波超导结中的自旋电流

考虑到铁磁层中的磁交换作用,以及绝缘层中的粗糙散射、自旋反转和磁散射效应,通过求解Bogoliubov-de-Gennes(BdG)方程,计算铁磁-绝缘层-d波超导结中的自旋电流.研究表明:粗糙界面散射可使自旋流增强,而自旋反转和磁散射效应能抑制自旋流.     

高能量分辨率扫描隧道谱的发展及其在单自旋态和低维超导电性研究的应用

在发展高能量分辨率扫描隧道谱的基础上,实现了基于自旋翻转的非弹性隧道谱,从而实现了对单自旋态的探测,并成功在单分子尺度上研究了自旋间的超交换作用.还探测到了磁性原子在超导能隙中诱导的多重束缚态,并利用这些束缚态在单原子尺度上研究了自旋间的相互作用,在实空间实现了对单个原子的化学识别.利用低温扫描隧道谱,证明生长在Si基片的单原子层厚的铅和铟薄膜为超导体,这是至今报道的最薄的超导体.