以铁磁绝缘体和铁磁半导体为势垒层的隧道结中自旋相关的隧穿时间研究

以铁磁绝缘体和铁磁半导体为势垒层的隧道结中自旋相关的隧穿时间研究

论文摘要

本论文分别对普通金属/铁磁绝缘体(铁磁半导体)/普通金属(NM/FI(FS)/NM)和铁磁体/铁磁半导体(铁磁绝缘体)/铁磁体(FM/FS(FI)/FM)两类隧道结中自旋相关的隧穿时间(居留时间、相位时间和渡越时间)进行了研究。讨论了两类隧道结中势垒高度、势垒宽度、分子场和Rashba自旋轨道耦合效应对自旋相关隧穿时间的影响,以及与自旋隧穿极化率,两端铁磁层磁矩夹角变化的关系。本文主要内容如下:在第一章绪论里面,首先介绍了电子的自旋极化隧穿效应,然后对Rashba自旋轨道耦合效应与自旋过滤效应进行了讨论,接着介绍了隧穿磁电阻的两种主要模型,最后简要叙述了隧穿时间的研究和进展。在第二章里面,基于Winful的隧穿时间模型(居留时间和相位时间),首先研究了电极为普通金属的NM/FI/NM和NM/FS/NM两种隧道结中自旋相关的隧穿时间及其与自旋隧穿极化率的关系。对于上述的这两种隧道结其自旋隧穿极化一个来源于电子隧穿过程中FI层的自旋过滤效应,一个来源于FS层中的磁性和Rashba自旋轨道耦合效应。计算结果表明:在NM/FI/NM隧道结中,随着FI层的厚度与分子场的增加,自旋向下电子的居留时间和相位时间大于自旋向上电子,相应的自旋隧穿极化率始终为正。对于NM/FS/NM结,由于FS层中的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FS层的厚度和分子场增大呈现出周期性振荡变化的趋势。相应的自旋隧穿极化率也呈周期性的振荡。当自旋向下电子的隧穿时间大于自旋向上电子的时候,自旋隧穿极化率为负;自旋向下电子的隧穿时间如果比自旋向上电子的隧穿时间更小,隧穿极化率则为正。在第三章里面,主要研究了电极为铁磁金属的FM/FS/FM和FM/FI/FM两种全铁磁型隧道结中自旋相关的隧穿时间(渡越时间)及其和两端铁磁层磁矩夹角变化的关系。研究结果过表明:当中间层为铁磁半导体时,对于不同的铁磁半导体中的分子场,不论两端铁磁体磁矩夹角为平行还是反平行,上下自旋电子的隧穿时间均随铁磁半导体长度和Rashba自旋轨道耦合强度的增大而增加,但对自旋向上电子隧穿时间的影响明显大于自旋向下电子。当中间层为铁磁绝缘体时,对于不同的铁磁绝缘体中的分子场,不论两端铁磁体磁矩夹角为平行还是反平行,上下自旋电子的隧穿时间都随势垒厚度和势垒高度呈指数形式的增加。无论中间层为铁磁半导体或是铁磁绝缘体时,对于不同的铁磁半导体长度和自旋轨道耦合强度以及铁磁绝缘层势垒高度和势垒厚度,上下自旋电子隧穿时间差随两端铁磁电极磁矩夹角变化情况基本相同。而对于逐渐增大的铁磁半导体或是铁磁绝缘体中的分子场,上下自旋电子隧穿时间差会出现从极小值到极大值的转变。第四章主要是总结了之前的研究结果,并对其进行了分析与讨论。

论文目录

  • 摘要
  • abstract
  • 1.绪论
  •   1.1 电子的自旋极化隧穿效应
  •   1.2 与自旋输运相关的两种效应
  •     1.2.1 Rashba自旋轨道耦合效应
  •     1.2.2 自旋过滤效应
  •   1.3 隧穿磁电阻(TMR)效应的研究
  •     1.3.1 Julliere模型
  •     1.3.2 Slonczewski模型
  •   1.4 隧穿时间
  •     1.4.1 居留时间
  •     1.4.2 相位时间
  •     1.4.3 渡越时间
  •     1.4.4 与隧穿时间有关的实验以及相关结果
  • 2.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
  •   2.1 引言
  •   2.2 理论模型
  •     2.2.1 NM/FI/NM型隧道结
  •     2.2.2 NM/FS/NM型隧道结
  •   2.3 计算结果和讨论
  •     2.3.1 NM/FI/NM结中隧穿时间与自旋隧穿极化率的关系
  •     2.3.2 NM/FS/NM结中隧穿时间与自旋隧穿极化率的关系
  •   2.4 结论
  • 3.铁磁体/铁磁半导体(铁磁绝缘体)/铁磁体隧道结中隧穿时间与两铁磁层磁矩夹角变化的关系
  •   3.0 引言
  •   3.1 理论模型
  •   3.2 计算结果与讨论
  •     3.2.1 FM/FS/FM隧道结中电子隧穿时间与两铁磁层中磁矩夹角变化
  •     3.2.2 FM/FI/FM隧道结中电子隧穿时间与两铁磁层中磁矩夹角变化
  •   3.3 结论
  • 4.总结
  • 参考文献
  • 致谢
  • 研究生在校期间的科研成果
  • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 曾柏魁

    导师: 谢征微

    关键词: 隧道结,隧穿时间,自旋极化率,耦合,铁磁绝缘体,铁磁半导体

    来源: 四川师范大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学

    专业: 物理学

    单位: 四川师范大学

    分类号: O469

    DOI: 10.27347/d.cnki.gssdu.2019.001116

    总页数: 54

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