铁磁/绝缘体/铁磁异质结中自旋极化电子的隧穿概率和隧穿时间

在群速度概念的基础上,研究了自旋电子隧穿通过铁磁/绝缘体/铁磁异质结中的隧穿概率和隧穿时间.研究结果表明:不同自旋方向的电子其隧穿概率和隧穿时间不仅与绝缘体长度和入射电子能量有关,而且强烈地依赖于两端铁磁层夹角的变化.当两铁磁层中磁矩取向反平行时,不同自旋方向的电子隧穿概率相同;而在两磁矩取向垂直时,不同自旋方向的电子隧穿时间相等.除此之外,不同自旋方向的电子无论是隧穿概率还是隧穿时间都呈明显的分离现象.

铁磁体/绝缘体(半导体)/铁磁体型隧道结中的层间交换耦合

基于自由电子模型,本文研究了由非金属中间层隔开的两铁磁体之间的层间交换耦合。其中特别注意到了铁磁层厚度dFM 及费密面随磁化排列的变化对层间耦合的影响。结果发现:(1)dFM 的变化会导致层间交换耦合(IEC)出现两种不同的特征,一种是随着中间层厚度的增加,IEC有振荡行为;另一种是其指数衰减行为;(2)作为dFM 的振荡函数,IEC表现出多个周期和一个负的非振荡项;(3)传导电子的费密能会随着两铁磁体的磁化排列变化而稍有变化,进一步地,这种变化与IEC有着某种程度的关联。

铁磁/正常/铁磁结调制的拓扑绝缘体薄膜表面输运性质（英文）

研究了拓扑绝缘体薄膜表面态在铁磁/正常/铁磁结调制下的电子自旋相关输运.发现由于交换场与杂化带隙的竞争而产生量子相变,在结无门电压时电导行为类似于自旋阀,加门电压后为自旋场效应管.有趣的是,无门电压且交换场能是杂化带隙的两倍时出现一个电导平台,磁阻比率可达100%.

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.

外加磁场对含双δ势垒的铁磁/半导体/铁磁异质结中自旋输运和散粒噪声的影响

研究了外磁场存在时,含双δ势垒的铁磁/半导体/铁磁异质结中自旋相关的透射概率和散粒噪声,讨论了量子尺寸效应和Rashba自旋轨道耦合效应.研究结果表明:不同自旋取向的电子隧穿异质结时,透射概率和散粒噪声随半导体长度的变化特性是作等幅振荡;外加磁场和Rashba自旋轨道耦合强度的增强都会加大透射概率和散粒噪声的振荡频率;外加磁场角度的改变会改变散粒噪声的振荡频率;双δ势垒的存在增大了自旋电子透射概率的振幅.

铁磁/半导体异质结材料MnSb/Si的物理气相沉积生长

采用一种新的生长铁磁 /半导体异质结材料的方法——物理气相沉积方法生长了一种铁磁 /半导体异质结材料 Mn Sb/Si.对所获得的样品进行特征 X射线能谱分析表明 Mn和 Sb在 Si衬底上的沉积速率相近 ,它们的原子百分数之比接近 1∶ 1.X射线衍射分析发现薄膜中形成了 Mn Sb相 ,样品在室温下测出磁滞回线也从侧面验证了存在 Mn Sb相 .用原子力显微镜对样品的表面进行观察 ,发现 Mn Sb呈有规则形状的小晶粒状 ,晶粒大小比较均匀 ,尺寸大多数在 5 0 0 nm左右 .

退火效应增强铁磁异质结太赫兹发射实验及机理

系统研究了退火效应对飞秒激光脉冲驱动的基于钴铁硼/重金属异质结辐射太赫兹波的影响.通过对发射样品进行退火处理,在钨/钴铁硼结构中观察到三倍增强的太赫兹波辐射,而铂/钴铁硼结构中太赫兹波的强度也获得了双倍提升.通过太赫兹时域光谱系统对异质结样品的透射测量和四探针法电阻率测量实验,验证了退火效应的主要机理可能源于材料结晶引起的热电子平均自由程增加,以及材料对太赫兹波的吸收降低.本研究不仅加深了对自旋太赫兹辐射机理的理解,而且为研制高性能太赫兹辐射源及其应用有一定的贡献.

(SrVO_(3))_(5)/(SrTiO_(3))_(1)(111)异质结金属-绝缘体转变和磁性调控的第一性原理研究

(111)取向的钙钛矿异质结具有独特的六角蜂窝状双层结构,展现出丰富独特的物理现象,因而近年来得到越来越多的关注.本文利用第一性原理计算研究了(111)取向的(SrVO_(3))_(5)/(SrTiO_(3))_(1)异质结,计算结果表明该体系为半金属铁磁体.进一步的研究表明该体系的电、磁性质可以通过施加面内应变和界面元素掺杂进行调控:在4%的面内压缩应变到2%的面内拉伸应变范围内,该体系保持铁磁半金属性质,V 3d电子是体系半金属性的主要来源;当面内压缩应变增加到8%或面内拉伸应变增加到4%时,该体系的基态变为反铁磁绝缘体;通过异质结界面处Ti-V阳离子的混合掺杂,该体系可以实现从铁磁半金属向铁磁绝缘体的转变.本文的研究结果表明,该体系在自旋电子学领域具有很高的应用潜力,本文研究为利用(SrVO_(3))_(5)/(SrTiO_(3))_(1)(111)异质结探索量子相变提供了理论参考.

Fe_(3)O_(4)/Au单晶异质结的磁各向异性研究

基于铁磁/重金属异质结结构的纯自旋流电子器件具有低功耗、非易失性等优点,是当前自旋电子学研究的核心内容。该文利用超导量子干涉仪以及铁磁共振测量系统等手段,对分子束外延法生长的铁磁/重金属异质结Fe_(3)O_(4)/Au单晶薄膜的静态及动态磁性能进行了系统研究。研究表明,随薄膜厚度的增加,Fe_(3)O_(4)的单轴磁各向异性逐渐减小而磁晶各向异性逐渐增强。Au覆盖层的引入有助于单晶超薄膜的晶格弛豫,进而有效增强了Fe_(3)O_(4)的磁各向异性。该研究为铁磁/重金属异质结的构建提供了新的思路,有望推动其在纯自旋流电子器件中的实用化进程。

磁控溅射法生长Bi2Te3/CoFeB双层异质结太赫兹发射

自旋太赫兹源作为一种新型太赫兹辐射源,以其高效率、超宽带、低成本、易集成等优点已成为太赫兹科学与应用领域的研究热点.本实验报道了晶圆级磁控溅射生长的多晶拓扑绝缘体Bi2Te3和铁磁体CoFeB双层异质结纳米薄膜发射太赫兹电磁波,并对太赫兹辐射特性进行了深入而系统的实验研究.在飞秒激光放大级脉冲作用下,该异质结呈现出高效率的太赫兹发射,且辐射偏振可通过外加磁场方向控制.通过与Pt/CoFeB对比,研究发现Bi2Te3/CoFeB的发射性能与Pt/CoFeB双层异质结相当.实验还对生长在不同衬底上的Bi2Te3/CoFeB的发射性能进行了对比研究,发现MgO衬底上制备的样品具有相对较好的太赫兹辐射性能.本实验研究不仅对自旋太赫兹发射机理有更加深入的认识,而且通过样品和结构的优化,有望获得更高的发射效率,且该发射器具有大尺寸批量生长、成本较低的优势,具备商业化应用的潜力.

铁磁/半导体(绝缘体)/铁磁异质结中渡越时间与两铁磁层磁矩夹角变化的关系

在群速度概念的基础上,研究了自旋极化电子隧穿通过铁磁体/半导体(绝缘体)/铁磁体异质结时,渡越时间随两端铁磁层中磁矩夹角变化的关系.研究结果表明:当中间层为半导体层时,由于半导体层中的Rashba自旋轨道耦合强度的影响,自旋向上电子和自旋向下电子的渡越时间差会在两铁磁层相对磁矩夹角为π/2和3π/2附近出现一个极小值.当中间层为绝缘体层时,势垒高度的变化会导致不同取向的自旋极化电子渡越时间差的变化,并当势垒高度超过一临界值时发生翻转.

EuS/Ta异质结的极大磁电阻效应

在铁磁/超导异质结中,铁磁体的交换场通过近邻效应将导致超导体准粒子态密度的塞曼劈裂.基于该效应,在外磁场不强的情况下,通过外加磁场可以有效地调节铁磁/超导界面处的交换作用,从而实现超导体在正常态和超导态之间转换,产生极大磁电阻.本文利用脉冲激光沉积方法制备了EuS/Ta异质结并研究了其电磁特性.Ta在3.6 K以下为超导态,EuS在20 K以下为铁磁态.在2 K时,EuS/Ta异质结中可观测蝴蝶型磁滞回线,证明在低磁场下(<±0.18 T)异质结中EuS铁磁态和Ta超导态共存.磁输运测试表明,通过施加外磁场可以有效调节EuS的交换场,随着交换场的增大,同时也加强了界面处的交换作用,从而抑制Ta的超导态,实现了Ta在超导态和正常态之间的转变,在EuS/Ta异质结中观测到了高达144000%的磁电阻.本文制备的EuS/Ta异质结具有极大磁电阻效应,在自旋电子学器件中有潜在的应用前景.

基于MATLAB的超导体异质结构隧穿效应模拟实验的设计与实践

为了丰富大学物理实验教学内容,将科学研究与教学有机结合,设计了"基于MATLAB的超导体异质结构隧穿效应"模拟实验教学项目。教学过程包括理论模型构建、MATLAB软件编程计算、计算结果模拟与讨论等环节,以正常金属硅烯基/铁磁d-波超导隧道结的输运性质研究为例开展。该研究型实验教学项目的引入,使学生对超导体的配对机制和量子隧穿效应有了更深刻而直观的理解,大大激发了学生对科学研究的兴趣。

外延生长单晶FeRh/MgO/PMN-PT异质结与电场调控磁性能

引入MgO薄膜作为缓冲层,采用磁控溅射镀膜方法在(001)取向[Pb(Mg1/3Nb2/3)O_(3)]0.7—x[PbTiO_(3)]0.3(PMN-PT)单晶铁电衬底上外延生长单晶FeRh二元合金薄膜,从而获得单晶FeRh/MgO/PMN-PT多层膜异质结。利用XRD进行物相分析和结构表征,表明MgO缓冲层的插入促使单晶FeRh成功外延在铁电衬底PMN-PT上,其外延关系为FeRh[100](001)/MgO[100](001)/PMN-PT[100](001)。利用磁光克尔测试设备对制备的单晶FeRh薄膜面内磁各向异性和电场调控效果进行研究,结果表明单晶FeRh薄膜表现出明显的面内四重对称性和显著的磁电耦合机制。在E=6 kV/cm的电场作用下,FeRh薄膜的磁光克尔信号显著降低,撤掉电场后,磁光克尔信号有所增强,但仍低于初始态。磁光克尔信号的强弱变化归因于PMN-PT衬底与FeRh薄膜的磁电耦合效应。

铁磁体/绝缘体(半导体)耦合双结中巨隧穿磁电阻

建立在二带模型的基础上,利用传递矩阵的方法计算了电场下铁磁体/绝缘体(半导体)耦合双结中的隧穿磁电阻.结果发现:在这种结构中存在着自旋极化的共振隧穿和振荡的巨隧穿磁电阻.磁电阻的最大值可达到90％.希望能够引起实验工作者的兴趣去设计自旋极化的共振隧穿仪器.同时,应用理论到铁磁体/绝缘体(半导体)单结的情况,得到的结果与实验测量相比是定性一致的.

含δ势垒的铁磁/半导体/铁磁异质结中的自旋输运和渡越时间

研究了含δ势垒的铁磁/半导体/铁磁异质结中自旋相关的透射概率和渡越时间,讨论了量子尺寸效应和Rashba自旋轨道耦合效应对隧穿特性的影响.研究结果表明:δ势垒的存在降低了自旋电子的透射概率,改变了透射概率的位相.Rashba自旋轨道耦合强度的增加加大了透射概率的振荡频率.不同自旋取向的电子隧穿异质结时,渡越时间随着半导体长度、Rashba自旋轨道耦合强度以及两铁磁电极中的磁化方向的夹角的变化而变化.

La_0.7Sr_0.3MnO_3和ZnO异质结的量子铁磁自旋特性

采用脉冲激光沉积方法制备La0.7Sr0.3MnO3/ZnO异质结,并对其量子铁磁自旋行为进行研究。发现掺杂浓度可有效调整长程的电子自旋和轨道的相互作用,以及短程小极化子的相互作用程度。LSMO/ZnO异质结构可对能带进行有效剪裁。XRD结果表明,所制样品具有良好的晶格外延特性。伏安特性和阻温曲线显示异质结具有半金属光导特性。在激光光场和磁场下测试La0.7Sr0.3MnO3/ZnO异质结量子铁磁自旋磁阻及光阻。结果发现,样品x=0.3在Tp=250K发生金属绝缘体相变而呈现半金属特性,在Tc=175K温度发生顺磁到反铁磁相变。连续激光下低于峰值温度220K和脉冲激光下低于175K区域激光光场导致光致退磁,光阻增大,在大于峰值温度Tp的高温区出现光阻降低。研究表明,在光场下La0.7Sr0.3MnO3/ZnO异质结特性受界面电子自旋取向和载流子浓度调控,态密度以及自旋轨道作用会导致光致阻抗变化,这些影响与LSMO/ZnO异质结的极化和界面应力所产生的界面态缺陷结构有关。

硅基自旋光电子学太赫兹辐射源特性

将光电子器件集成到硅片上是光电子集成器件研发的首要步骤.自旋光电子学太赫兹辐射源,通常是由纳米厚度的铁磁/非磁性金属多层膜结构组成,在飞秒激光辐照下能产生高质量、宽带太赫兹脉冲辐射.本文利用飞秒激光脉冲在生长于硅衬底上的Ta/CoFeB/Ir铁磁/非磁性金属异质结中实现了高效、宽带的太赫兹相干脉冲辐射.首先,Ta/CoFeB/Ir异质结的太赫兹脉冲的极性随外加磁场的反转而反转,太赫兹辐射的物理机制可以归结为超快自旋流-电荷流转换.其次,通过改变抽运激光的激发能量密度,研究了Ta/CoFeB/Ir异质结的太赫兹辐射饱和现象.此外,通过研究Ta/CoFeB/Ir异质结的太赫兹发射特性随Ir层厚度的依赖关系,不仅优化了器件的辐射强度,而且获得了Ir层在太赫兹频率下的自旋扩散长度(~(0.59±0.12)nm).该值小于通过自旋抽运技术获得的GHz频率下的自旋扩散长度(1.34 nm),表明不同频率范围对应于不同的电子输运机理.

氧空位控制BiVO_(4)晶面异质结的磁性和光电催化性能

在铁磁光催化剂中,大多数光生电荷具有相同的自旋状态,因此可以有效抑制光生电子和空穴的复合.利用BiVO_(4){010}和{110}晶面中氧空位的形成能不同,通过晶面取向和氧空位的协同作用来调控BiVO_(4)的铁磁性能.在N_(2)气氛中退火后,BiVO_(4)晶面异质结中氧空位的比例随着{010}/{110}晶面比例的增加而降低,因为{010}晶面上氧空位的形成能低于{110}晶面.{010}/{110}晶面比例较低的BiVO_(4)晶面异质结的铁磁性能优于{010}/{110}晶面比例较高的BiVO_(4),因为前者颗粒尺寸更小、更立体,其比表面积和界面区域更大,所以其表面未饱和自旋对总磁矩的贡献更大.{010}/{110}比例较高的BiVO_(4)晶面异质结具有更大的光电流密度和光电催化产氢效率,源于BiVO_(4){010}晶面比{110}晶面具有更高的电荷迁移率、更好的吸附特性和更低的能垒.并且氧空位的引入也提高了BiVO_(4)的制氢效率.

《太赫兹科学与电子信息学报》2024年第8期专栏征稿 主题:自旋光电子学太赫兹辐射源的基础与应用

太赫兹自旋光电子学是一个崭新的研究领域,它是光电子学、自旋电子学和超快光子学的有机结合。尽管近三十年前就已经首次观察到铁磁薄膜在皮秒时间尺度上的超快退磁,直到最近,由于多项突破性的基础研究,自旋光电子学太赫兹辐射源才得到了快速发展。从纳米级铁磁/重金属异质结的太赫兹产生物理机理研究,发展到宽带、高效和偏振态可调控的太赫兹辐射源器件,不仅有效实现了一种新型的太赫兹辐射源,而且正在拓展小型化、集成化太赫兹光谱系统与应用。