铁磁／半导体／铁磁隧道结中的隧穿磁电阻

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1、铁磁半导体铁磁隧道结中的隧穿磁电阻第28卷第3期2007年9月河北科技大学JournalofHebeiUniversityofScienceandTechnologyVo1.28,No.3sept.2007文章编号;10081542(2007)03019404铁磁/半导体/铁磁隧道结中的隧穿磁电阻张红梅(河北科技大学理学院,河北石家庄050018)摘要: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

2、电极中磁矩取向平行时,选择适"-3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.关键词:隧道结;隧穿几率;隧穿磁电阻;自旋轨道耦合中图分类号:O485文献标识码:ATunnelmagneticresistanceinferromagnetic/semiconductor/ferromagnetictunneljunctionsZHANGHongmei(CollegeofSciences,HebeiUniversityofScienceandTechnology,ShijiazhuangHebei050018,China)Abstract:Byusingthec

3、oherentquantumtransporttheoryandtransfermatrixmethod,thetransmissioncoefficientandtunnelmagneticresistanceforpolarizedelectronswithdifferentspinorientationsthroughferromagnetic/semiconductor/ferromagnetictunneljunctionsareinvestigated.Theresultsindicatethatthetransmissioncoefficientandtunnelmagnetic

4、resistancechangesperiodicalyinaccordancewiththechangeofthelengthofthesemiconductor,andchangesquas'.periodicallywiththechangeoftheRashbaspin-orbiteffect.AmoderatelengthofthesemiconductorandappropriateRashbaspin-orbiteffectallowagianttunnelmagneticresistancewithparallelmagnetization.Keywords:tunne

5、ljunctions;transmissioncoefficient;tunnelmagneticresistance;spin-orbitcoupling近年来,对磁性隧道结中自旋相关输运现象的研究,引起了人们的极大关注143.磁性隧道结中自旋极化电子隧穿输运不仅由隧穿几率来表示,还应该由隧穿磁电阻(TMR)来标度,这是因为隧穿磁电阻可以很好地描述自旋极化电子渡越铁磁/半导体/铁磁等磁性隧道结的自旋极化输运现象.隧道结具有隧穿磁电阻大,磁场灵敏度高以及能耗小的特点,同时由于高的隧道电阻也使其性能更加稳定,因而隧穿磁电阻在计算机的读出磁头,各类传感器和磁电阻型的随机存储器等方面有着特殊且重要的

6、应用.隧穿磁电阻来源于自旋极化电子的隧道效应,故对隧穿磁电阻和磁性隧道结的其他输运特性的研究,有助于了解自旋极化电子的隧穿机制及隧道效应本身.到目前为止,针对铁磁(FM)/#s导体(S)/铁磁(FM)三明治隧道结研究报道层出不穷s7,笔者旨在对这一问题展开较为深入的探讨,研究与该结构自旋相关的电子隧穿和隧穿磁电阻,在一定程度上,这个效应还没有被很好地研究.为此,笔者首先从不同区域的的薛定谔波动方程(包含自旋自由度)出发,应用相干量子输运理论和传递收稿日期:20061卜13;修回日期:2007051l;责任编辑:王士忠基金项目:河北省科技厅指导计划项目(07215116);河北科技大学校立科研基

7、金资助项目(XL2006048)作者简介;张红梅(1972一),女,河北滦南人,讲师,硕士,主要从事凝聚态物理及量子输运方面的研究.第3期张红梅铁磁/半导体/铁磁隧道结中的隧穿磁电阻矩阵方法,利用边界条件进行数值计算求解得到:不同自旋指向电子的隧穿几率与半导体长度及Rashba自旋轨道耦合强度的关系;隧穿磁电阻与半导体长度及Rashba自旋轨道耦合强度的关系.结果显示在其他参数(两铁磁电极中磁矩的夹角,Rashba自旋轨道耦合强度和半导体的长度等)选取合适的情况下,能得到丰富的物理现象,尤其能够得到较高的隧穿磁电阻,实现其在自旋电子器件中的应用.1理论模型与计算公式考虑一由铁磁/半导体/铁磁(

8、FM/S/FM)构成的隧道结,其结构如图1所示.图中表示左,右两铁磁电极中磁矩的夹角,在长度为d的半导体区域上施加栅压可以实现自旋轨道耦合的Rashba效应,并且耦合强度受外场调节.假定整个结构的宽度很小(h./(am),h是普朗克常量,a是自旋轨道耦合的Rashba常数,m是电子的有效质量),这样带和带之间的耦合就可以忽略,于是该结构可以视为准一维线结构.:tt,:/FMiSI/FMOd图1铁磁/半导体/铁磁隧道结示意图Fig.1SchematicdiagramofFM/S/FMtunneljunctions根据研究人员提出的一维对称的Rashba模型8,铁磁体和半导体区域的Hamilton

9、ian可以分别写为自f一告l-=b+告,(1)冉.专+(+a)+c.(2)其中:和ms.分别是电子在铁磁体和半导体中的有效质量;表示铁磁电极中不同自旋指向电子的交换劈裂能;以表示Pauli矩阵;征.是铁磁体与半导体之间的导带差.由于式(1)和式(2)中的Hamiltonian是对角化的,所以可以把整个FM/S/FM隧道结的波函数写为ft>=(t(),O),f?>=(O,?().于是,左右两侧铁磁体中电子的本征波函数可以写为()=Aexp(ik)x)+Bexp(i点).(3)其中:A,B分别为待定系数;=L,R表示左右两边不同的铁磁体;:十,J,表示分裂能带结构不同的

10、自旋状态,自旋量子化方向沿着z轴正方向;点一2m(,E1)为铁磁体处于自旋态态时的Fermi波矢,+.?=士l,E为Fermi能级.而半导体中电子的本征波函数有2个,且分别为'()=Cte+Dte一,(4)()一C.eik+D.e-ik.(5)其中:G,(一十,J,)分别为待定系数;足(E一)+足一为半导体中自旋态为的Fermi波矢,且入射波的波矢和反射波的波矢绝对值相差2足,而足一a(x)/h.为半导体中Rashba波矢.通过一0,x=d边界处波函数及其流的连续性条件,利用传递矩阵方法,很容易得到不同自旋指向的极化电子渡越FM/S/FM隧道结的隧穿几率.用表示自旋电子的隧穿几率,对于

11、入射电子自旋为十的196河北科技大学隧穿几翠为T,一十筹,对于入射电子自旋为的隧穿几率为T一等十等.其中:At一等,A一等t=,一等.得到隧穿几率后,就可以利用LandauerBtittiker公式算出FM/S/FM隧道结的电导10,11:()一丢T),于是可得FM/S/FM隧道结的隧穿磁电阻的大小:一一.2计算结果与讨论(6)(7)(8)(9)在计算中,取中间的半导体材料为A1Ga¨As,m=0.092m(GaAs中电子的有效质量mo"=0.067m.,m为自由电子质量),ml*一m;Fermi能级E一2.47eV,铁磁体与半导体之间的导带差E=2.35eV,铁磁体中的交

12、换劈裂能一3.46eV.同时将GaAs中的Rashba波矢记为kRo,且k.一mgOtR/h.这样Rashba自旋轨道耦合强度就可以表示为k./k.,其中k.一1.0×10.em_.下面具体计算隧穿几率随半导体长度及Rashba自旋轨道耦合强度的变化关系.图2给出了隧穿几率随半导体长度d的变化,Rashba波矢k.一4k.,从(a)到(e),一0,=/3,7r/2,27r/3和7r,实线,短划线分别对应上,下自旋电子的隧穿几率.由图中可以看出,自旋向上和自旋向下的电子隧穿几率随半导体长度的增加表现出有规律的周期振荡.当两磁矩取向平行(一O)时,上,下自旋电子的隧穿几率具有相同的相位;

13、随着角度的增加,隧穿几率的振幅减小;当角度一/2时,上,下自旋电子的隧穿几率的相位相反;当角度为2=/3,振幅开始回升,相位移动了/2,与平行时不同,上自旋电子的振幅大于下自旋电子;当角度为时,2种自旋态电子的隧穿几率曲线重合,2种自旋态电子的输运性质完全相同.出现这一现象的主要原因是在半导体中自旋轨道耦合可以看作是与自旋相关的作用势,波函数所具有的AheronovBohm相随自旋注入的变化而改变符号.图3给出了隧穿几率随Rashba自旋轨道耦合强度k./k.的变化关系,取半导体长度d一1.0tam,从(a)到(e),0等于0,=/3,/2,2=/3和,实线,短划线分别对应上,下自旋电子.从图

14、中可以看出,除一外,仅当Rashba波矢k.等于3.43k.,5.46k.,6.93k.和8.14k.时,2种自旋电子的隧穿几率才相等,并且这些数值的间距随自旋轨道耦合强度的增加而减小.在e一/2时,上,下自旋电子的隧穿几率的相位相反,而其他4种情况中上,下自旋电子的隧穿几率的相位相同,只是振幅大小不同.现在数值计算隧穿磁电阻随半导体长度及Rashba自旋轨道耦合强度的变化关系.图4给出了不同角度下隧穿磁电阻随半导体长度的变化关系,取Rashba波矢kR.一4k.由图中可以看出,不同角度下的隧穿磁电阻随半导体长度的增加作同周期的简谐振荡,相邻波峰,波谷之间的距离均相等,且振幅随角度的增加越来越

15、小.当角度=0时,隧穿磁电阻的峰值可以达到2O.1,而一Tf时隧穿磁电阻恒为0.图5给出了不同角度下隧穿磁电阻随Rashba自旋轨道耦合强度k./k.的变化关系,取半导体长度=1.0tam.由图中可以看出不同角度下隧穿磁电阻随kRo/k.的增加具有相同的准周期振荡规律,相邻波峰之间的距离逐渐减小,隧穿磁电阻的峰值随角度的增加越来越小,而且在Rashba波矢取某些值时,隧穿磁电阻值的符号也从正变成了负.同时还发现当角度一0,Rashba波矢取为3.43k.,5.46k.,6.93k.和8.14k.时隧穿磁电阻的峰值可以达到20.1,而一Tf时隧穿磁电阻恒为0.出现这些现象的原因在于:随着角度的增

16、加,交换劈裂能抑制了电子在隧道结中的隧穿,增强了量子自旋阀效应.第3期张红梅铁磁/半导体/铁磁隧道结中的隧穿磁电阻碍已钛j鏊!逞馨鉴面粳9.859.90l0d,m图2隧穿几率随半导体长度的变化Fig.2TransmissioncoefficientagainstthelengthofsemiconductorlOd/m图4隧穿磁电阻随半导体长度的变化Fig.4Tunnelmagneticresistanceagainstthelengthofsemiconductor瓣已钛j鏊!逞馨巍面粳0l23456789舶.图3隧穿几率随着自旋轨道耦合强度的变化Fig.3Transmissioncoeff

17、icientagainstthespin-orbiteffect图5隧穿磁电阻随着自旋轨道耦合强度的变化Fig.5Tunnelmagneticresistanceagainstthespin-orbiteffect3结论采用相干量子输运理论和传递矩阵方法,研究了铁磁/半导体/铁磁隧道结中自旋不同指向的自旋极化电子的隧穿几率和隧穿磁电阻随半导体长度及Rashba自旋轨道耦合强度的变化关系.通过计算发现,两铁磁电极中磁矩的夹角取不同值时,自旋不同指向的极化电子的隧穿几率和隧穿磁电阻随半导体长度的变化发生周期性变化,随Rashba自旋轨道耦合强度k./k.的变化发生准周期变化.可见,选择适当的角度0

18、,Rashba自旋轨道耦合强度和半导体长度,将会得到较大的隧穿磁电阻,从而实现隧穿磁电阻的调制,促进磁性隧道结的开发与应用.(下转第217页)09870987098709870987l000l000l00Ol00Ol000505050505022一第3期王玉春等高效液相色谱法测定淡水鱼中抗生素残留量217霉素为4.38,三者平均值约为4.63.3结语表l回收率的测定Tab.1Measuresofrecovery通过用高氯酸溶液沉淀蛋白质,超声波提取样品的前处理方法,采用高效液相色谱和外标法,成功地进行了人工饲养淡水鱼体内的四环素,金霉素,土霉素等残留物的定量检测.该方法测定灵敏度高,稳定性好,

19、简便易行.参考文献:1李兆新,冷凯良,李健,等.我国渔药质量状况及水产品中渔药残留监控J.海洋水产研究,2002,22(2):7680.2原现瑞,王玉春,田宝勇,等.毛细管气相色谱法测定无公害柿子中菊酯类农药的残留量J.河北科技大学,2005,26(4):272274.3张亚莉,习立鹏,阎正.毛细管气相色谱法测定白芍中有机氯农药的含量J.河北科技大学,2005,26(4)t275276.4王晓辉,金静,任洪强,等.水质生物毒性检测方法研究进展J.河北工业科技,2007,24(1)t5862.5罗晓燕,林玉娜,刘莉治.高效液相色谱法同时测定动物组织中四种抗生素残留量的研究J.中国卫生检验杂志,2

20、004,14(4)t443444.(上接第197页)参考文献:1234567839l101112ALVORADOSF.TunnelingpotentialbarrierdependenceofelectronspinpolarizationJ.PhysRevLett,1995,75(3):513516.DATTAS,DASRElectronicanalogofelectro-opticmodulatorJ.ApplPhysLett,1990,56(7)l665667.MIRELESF,KIRCZENOWG.FromclassicaltOquantumspintronics:Theoryofco

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