双隧道结中极化率和隧穿磁电阻的研究

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电子既有电荷又有自旋。以电子的电荷和其输运性质为理论基础而构造的装置和集成电路已经得到了广泛的应用,并且人们对电子和空穴性质的各种研究丰富了半导体材料中的输运性质。现在人们研究的中心问题是在固态系统中如何运用自旋自由度。为了利用自旋的自由度尤其是将其用在目前的半导体电子产品制作中,我们需要构造一些合适的材料,并且从理论上深入的了解与自旋有关的现象,以便来很好的控制自旋。金属自旋阀中巨磁电阻(Giant Magnetoresistance,简写为GMR)和隧穿磁电阻(TunnelingMagnetoresistance,简写为TMR)效应的发现引发了磁存储和磁记录领域的革命,并由此产生了围绕电子自旋的产生、输运、探测等的一门全新的学科-自旋电子学(Spintronics)。最近一些研究者发现,电子的自旋有许多与电子的电荷类似的性质,如自旋的Hall效应,自旋的场效应管机制,在磁性和非磁性半导体中能够产生的自旋流等。这些现象均来自于自旋-轨道耦合的作用。自旋-轨道耦合作用将开辟自旋电子学的新天地,并引导基于自旋现象的电子器件的理论和实验研究。 在这篇论文中,我们研究了在具有Dresselhaus自旋-轨道耦合相互作用和外加电场作用的情况下,铁磁/绝缘体/半导体/绝缘体/铁磁双隧道结中的透射概率、极化率和隧穿磁电阻。由于实验准备技术工作的不完善,所以我们在理论计算中需要考虑铁磁体和半导体界面处存在的薄的氧化层对理论结果造成的影响。我们考虑了在铁磁体、绝缘体和半导体这三个区域中电子的有效质量是不同的,并且我们也考虑了铁磁体金属和半导体金属之间固有存在的电导失配问题。在本论文中我们可以把传导电子认为是自由电子模型来进行处理,从而来研究通过铁磁/绝缘体/半导体/绝缘体/铁磁隧道结时自旋极化输运的性质。原因在于这个模型相对来说比较简单,并且在铁族磁性金属材料和铁磁/半导体(绝缘体)/铁磁这样的结构中运用这个模型已经成功的研究了自旋极化输运的性质。 当铁磁/绝缘体/半导体/绝缘体/铁磁双隧道结中存在Dresselhaus自旋-轨道耦合和外加电场时,我们运用传递矩阵方法和Airy函数的方法对透射概率、极化率和隧穿磁电阻进行了一系列的理论计算。理论计算的结果表明:(i)在零温的情况下随着氧化层厚度的减小自旋极化率可以得到逐渐的提高;(ii)在本论文研究的双势垒结构中隧穿磁电阻的倒置的原因是由于Dresselhaus自旋-轨道耦合相互作用引起的。在考虑了Dresselhaus自旋-轨道耦合相互作用的情况下,我们可以清楚的看到隧穿磁电阻的倒置发生在势垒中局域态的能级和铁磁电极中的费米能级Ef相匹配的位置。我们希望这些研究结果能够引起某些理论和实验研究人员对自旋极化共振隧穿装置进行进一步详细的研究。
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