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。     

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。     

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.     

FM/I/FM隧道结中的隧穿时间

在相位时间定义的基础上,研究了铁磁金属-绝缘体-铁磁金属一维磁性隧道单结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.研究结果表明隧穿时间随电子的入射能的增大而减小,在低能区隧穿时间随入射能的增加呈指数减小,而在高能区减小的趋势变缓和;两铁磁层磁化强度方向呈平行排列和反平行排列时的隧穿时间的差值在低能区随入射能的增加呈指数增加,但在高能区趋于零.另外隧穿时间随着势垒宽度的增加而呈线性增长.     

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.     

自旋轨道耦合对铁磁/半导体/绝缘体多层膜结构中隧穿性质的影响

利用传递矩阵方法,计算了自旋轨道耦合对铁磁/半导体/绝缘体多层膜结构中隧穿性质的影响.结果表明,当半导体和铁磁体之间是绝缘接触时,体系的输运性质发生明显改变,同时出现了自旋反转效应.     

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/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.     

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.     

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.     

与非共线铁磁引线耦合的双量子点环中电子的输运

用非平衡格林函数理论研究与两个铁磁引线连接的平行连耦合双量子点系统中电子输运性质。两个铁磁引线的磁矩相互成任意角度,即磁矩是非共线性的。通过调节磁矩间的角度,可以控制不同自旋方向电子的输运性质,从而能充分操作通过整个系统的电流和隧穿磁阻。两个铁磁弓I线磁矩间的相对角度对量子点中不同自旋电子的占据数有显著的影响,是决定电流和隧穿磁阻性质的内在机制。量子点间的耦合强度、量子点与引线的耦合强度等也会对系统的电流有明显的作用,从而提供了丰富的电流操控手段。本文研究的系统可以用作自旋阀,在自旋电子学器件中有实际的应用价值。     

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。     

铁磁体/有机体/铁磁体三明治结构的隧穿磁电阻

对铁磁体/有机体/铁磁体三明治结构的隧穿磁电阻进行了研究.考虑有机层对自旋的过滤作用,用Slonczewski自由电子理论模型计算了不同的隧穿势垒下在高自旋过滤因子和低自旋过滤因子两种情况隧穿磁电阻随有机层厚度的变化.计算结果供设计新的有机自旋电子器件参考.     

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.     

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。     

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.     

硅烯上的克莱因隧穿

基于硅烯的四带低能有效哈密顿量,通过求解狄拉克方程研究了单层硅烯上的势垒隧穿,得出了硅烯中隧穿几率随入射角度的变化关系。当入射方向为正入射时,电子完全透射,隧穿几率不随隧穿势垒宽度和门电压改变而变化,表明在硅烯中可以观察到克莱因隧穿现象。进一步研究了硅烯在常规半导体相、拓扑绝缘体相以及半金属相等不同物相中的量子输运,发现不同的物相对于电子的隧穿影响不大。该研究有助于澄清硅烯上克莱因隧穿的特性,并为基于硅烯的强鲁棒性量子隧穿器件设计提供思路。     

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.     

金属-绝缘体颗粒膜隧穿磁电阻效应的修正理论

基于Inoue模型,提出了一个修正理论来研究金属-绝缘体颗粒膜的隧穿磁电阻效应.假定颗粒膜中铁磁颗粒的尺寸服从对数正态函数,通过两个临界尺寸D1(T)和D2(T)将颗粒膜中的铁磁颗粒分为三类:超顺磁颗粒、单畴铁磁颗粒和多畴颗粒.同时引进一个参数k2来描述超顺磁颗粒与单畴铁磁颗粒对颗粒膜巨磁电阻效应影响的权重,另一个参数k1来描述基体对铁磁颗粒自旋极化率的影响.计算结果表明仅有单畴铁磁颗粒对颗粒膜的隧穿磁电阻效应起主导作用.