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/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.

双自旋过滤隧道结中的隧穿时间

基于自由电子近似和Winful的隧穿时间模型,研究了普通金属/自旋过滤层/非磁绝缘层/自旋过滤层/普通金属(NM/SF/I/SF/NM)双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).分别以居留时间和相位时间随入射电子能量、势垒高度和势垒宽度、以及分子场大小的变化情况做了讨论.计算结果表明:在低能隧穿区域(入射电子的能量小于势垒高度),由于自旋相关的自相干项的影响,不同自旋方向电子的相位时间总是大于居留时间;在高能隧穿区域(入射电子的能量大于势垒高度),自旋相关的自相干项的影响减小,不同自旋方向电子的相位时间和于居留时间趋于一致.NM/SF/I/SF/NM双自旋过滤隧道结中的居留时间和相位时间基本不受非磁绝缘层势垒高度和宽度变化的影响,该现象不同于常规的铁磁金属/非磁绝缘层/铁磁金属(FM/I/FM)隧道结.但当非磁绝缘层势垒高度低于自旋过滤层势垒高度时,改变非磁绝缘层的势垒高度和宽度会使居留时间和相位时间出现相峰值,该峰值的出现与不同自旋方向电子的共振隧穿有关.自旋过滤层的势垒高度的变化对NM/SF/I/SF/NM双自旋过滤隧道结中的居留时间和相位时间影响大,但宽度变化的影响较小.自旋过滤层中分子场的变化对不同自旋方向的电子的居留时间和相位时间有明显影响,且上自旋电子的居留时间和相位时间随分子场的增大而减少,而下自旋电子的情况刚好相反.

隧道结中的自旋过滤效应

文章介绍了近年来自旋电子学中广泛研究的三种典型的隧道结,对其自旋过滤效应的物理机制进行了分析归类,在此基础上,给出了影响其过滤效果的主要因素。

磁隧道结中的自旋过滤效应

量子隧穿效应是基本的量子现象之一,隧穿即电子隧穿势垒,即当电子的总能量小于势垒高度时,电子仍可穿过这一势垒。近年来,对于量子隧穿效应的研究引起了人们的关注,其中磁性隧道结(MTJs)中的量子隧穿输运现象是人们关注的热点。人们要想设计出具有较高的磁隧穿电阻(TMR)和完美自旋过滤效应的MTJs。本文简要的介绍了几种MTJs中的自旋过滤效应。

多层结构双自旋过滤隧道结中的电子输运特性

在转移矩阵方法及Mireles和Kirczenow的量子相干输运理论的基础上,研究了正常金属层/磁性半导体层/非磁绝缘层/磁性半导体层/正常金属层型双自旋过滤隧道结中Rashba自旋轨道耦合效应和自旋过滤效应对自旋相关输运的影响.讨论了隧穿磁电阻(TMR)、隧穿电导与各材料层厚度、Rashba自旋轨道耦合强度以及两磁性半导体中磁矩的相对夹角θ之间的关系.研究表明:含磁性半导体层的双自旋过滤隧道结由于磁性半导体层的自旋过滤效应和Rashba自旋轨道耦合作用可获得极大的TMR值.另外TMR和隧穿电导随着Rashba自旋轨道耦合强度的变化而振荡,振荡周期随Rashba自旋轨道耦合强度的增大逐渐减小.

NM/FI/NI/FI/NM新型双自旋过滤隧道结的隧穿电导和隧穿磁电阻

在NM/FI/FI/NM型双自旋过滤隧道结(此处NM为非磁金属层,FI为铁磁绝缘体或半导体层)的基础上,我们提出一种NM/FI/NI/FI/NM新型双自旋过滤隧道结(此处NI表示非磁绝缘体或半导体层).插入NI层的目的是为了避免原双自旋过滤隧道结中相邻FI层界面处磁的耦合作用所导致的对隧穿磁电阻的不利影响.在自由电子近似的基础上,利用转移矩阵方法,对NM/FI/NI/FI/NM新型双自旋过滤隧道结的隧穿电导、隧穿磁电阻与FI层及NI层厚度的变化关系以及随偏压的变化关系进行了理论研究.计算结果表明,在NM/FI/NI/FI/NM新型双自旋过滤隧道结中仍可以得到很大的TMR值.

双自旋过滤隧道结在有限偏压下的隧穿电导和隧穿磁电阻

最近的一项理论估计指出,NM/FI/FI/NM 型双自旋过滤隧道结（DSFJ,此处NM和FI分别表示非磁电极和铁磁绝缘体或半导体）,在零偏压下可能具有甚高的隧穿磁电阻（TMR）针对磁电阻元件的研制和应用的需要,计算了DSFJ的TMR和电导随偏压,FI厚度以及势垒高度的变化.结果表明:与传统的FM/NI/FM型磁性隧道结（FM和NI分别代表铁磁电极和非磁绝缘体或半导体）相比,DSFJ具有一个有利于应用的特点:其TMR在具有甚高值的问时,不随偏压的增大而单调地剧烈下降,而是先缓慢升到一个峰值后再下降.

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.