白忠臣,齊 赟,唐維媛
(貴州大學光電子技術及應用重點實驗室,貴州 貴陽 550025)
鐵磁隧道結的隧穿磁電阻研究
白忠臣,齊 赟,唐維媛
(貴州大學光電子技術及應用重點實驗室,貴州 貴陽 550025)
在Slonczewsik自由電子理論模型下,研究了一由鐵磁/鐵磁絕緣體/鐵磁構成的隧道結在零偏壓下的隧穿電導、自旋極化率和隧穿磁阻比率。結果表明,隧道結的磁結構對TC(隧穿電導)和TMR(隧穿磁阻)的值有很大的影響,在兩磁極磁化方向相同且與勢壘分子場同向時,TC取到最小值,而方向為反平行時,TC數值為最大,同時還對分子場取向對自旋電子輸運性質的影響進行了分析,所得結果對自旋器件的設計有一定意義。
隧道磁阻;TC; TMR;電子輸運;透射系數
圖1 磁性隧道結的示意圖
考慮如圖1所示的模型體系,在鐵磁/鐵磁絕緣體/鐵磁(FM/FI/FM)隧道結中,電子沿x方向傳輸,d是勢壘厚度,x是垂直膜面的坐標軸,勢壘2側是鐵磁層。
利用Slonczewsik自由電子模型,在x方向的哈密頓量可以表示為:
(1)
(3)
在2和3區域,方程的解為:
Ψ2σ=Aσe-k2σx+Bσek2σx0≤x≤d
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(4)
Ψ3σ=Cσe-ik3σ(x-d)x≥d
(5)
MX=N
(6)
(7)
總隧穿電導為:
(8)
定義隧穿磁阻比率:
(9)
隧穿磁阻比率反映了隧穿電導的相對變化。
取分子場h0=0.18eV,h=0.065eV,壘寬d為6.4nm,壘高為Φ=0.111eV[9],電子有效質量取為自由電子的質量,分析勢壘功能以及電子隧穿概率和隧穿電導受分子場影響。
圖2和圖3分別是隧穿電導及隧穿磁阻受分子場取向變化圖,由圖可見,在θ1和θ2取值為0°處,電導(TC)為最小值,反之,在θ1和θ2取值為180°處,TC為最大值。在電阻值達到最小處,兩磁極的磁化方向平行,且同勢壘的分子場取向方向相反;而在θ1=0°,θ2=180 °時,和θ1=180°,θ2=0 °時,TC值相同并位于最大和最小值之間。
在兩磁極磁化方向相同且與勢壘分子場取向相反時,TC隨壘高減小而增大,相反情況時則減小。這種關系是勢壘的自旋過濾效應導致的。鐵磁絕緣體(FI)的這種效應已被證實[10],它被當作勢壘在隧穿中,可等效為一自旋過濾器,電子的自旋磁化方向與FI的磁化方向相同時,較其他自旋方向電子更容易隧穿勢壘,方向相反時,則隧穿效應的可能性小得多。圖4是自旋向上電子隧穿率曲線圖,圖5是自旋向下時的情況。從圖可見,陡峭的部分說明了TP(隧穿概率)的值很大程度上依賴于隧道結的磁結構和自旋的取向[11]。在兩磁極磁化方向平行且與勢壘分子場取向反向時,自旋向上的電子TP值位于最大處,這時的電子能較輕易的通過勢壘。
圖2 隧穿電導隨分子場取向變化圖 圖3 隧穿磁阻比受分子場取向變化圖
圖4 自旋向上電子隧穿概率隨分子場相對取向的變化 圖5 自旋向下電子隧穿概率隨分子場相對取向的變化
通過前面的計算分析,得到了電子隧穿磁性隧道結輸運性質的關系圖。2磁極磁化方向相同且與勢壘分子場同向時,TC取到最小值;而方向為反平行時,TC數值為最大值。在計算過程中取了較為簡單的外部條件,在下一步研究中會逐步考慮溫度、界面粗糙度的影響,計算分析結果對自旋器件的設計有一定意義。
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10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.07.006
O485
A
1673-1409(2012)07-N012-03
2012-04-12
貴州省科學技術基金項目(黔科合J字[2010]2103號)。
白忠臣(1979-),男,2003年大學畢業,講師,博士生,現主要從事量子輸運方面的教學與研究工作。
[編輯] 洪云飛