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传统电子学是在宏观尺度的范围内,利用电子具有电荷这一特性展开研究,而在介观尺度范围内,除了考虑电子电荷外,还需考虑电子的自旋所带来的影响。由于与自旋相关的巨磁电阻效应(giant magneto resistance,GMR)的发现以及其后在实际应用中所取得的巨大成功,自旋相关的电磁性质的研究受到了人们的广泛关注和重视,并逐渐形成了自旋电子学这门新的学科。本文主要研究了含两铁磁半导体层的双自旋过滤磁性隧道结中自旋相关的隧穿输运现象。对分子场、Rashba自旋轨道耦合与自旋相关隧穿现象和隧穿磁电阻(TMR)效应等之间的关系进行了讨论。具体章节结构和研究内容如下:
在第一章绪论中,首先对自旋电子学的研究背景和研究进展做了一个简要的综述,然后就与本文相关的隧穿磁电阻现象以及Rashba自旋轨道耦合效应和自旋过滤效应对隧穿磁电阻的影响进行了较为详细的论述。最后介绍了Julliere模型(Julliere model)与Slonczewski近自由电子模型(Slonczewski free electron model),它们是处理磁性隧道结中自旋相关的电子输运过程中的两个重要理论模型。
在第二章中,我们首先简单的介绍了针对NM/FS/I/FS/NM(NM、FS、I分别表示非磁金属、铁磁半导体和绝缘层)的双自旋过滤磁性隧道结在Rashba自旋轨道耦合强度和分子场都对称的情况下的最新研究情况,接着利用Slonczewski近自由电子模型,基于转移矩阵方法和量子相干输运理论,对NM/FS/I/FS/NM双自旋过滤磁性隧道结在不对称的情况下进行了较为深入的研究,并与对称的情况进行了比较。研究表明: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;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;其正负TMR的值和两侧FS层Rashba自旋轨道耦合强度的相对大小有关;两侧铁磁半导体层中的分子场相对大小对TMR随Rashba自旋轨道耦合强度的振荡频率也存在一定的影响。结果表明,两铁磁层中分子场和Rashba自旋轨道耦合强度的不对称性对上自旋电子和下自旋电子的隧穿电导的存在不同程度的影响,通过调节分子场的大小以及相应的Rashba自旋轨道耦合强度可获得大的TMR值。