磁性和非磁性隧道結及器件輸運性質(zhì)的第一性原理研究.pdf

1、我們利用先進的密度泛函結合非平衡格林函數(shù)技術研究了磁性和非磁性隧道結及器件的量子輸運性質(zhì)。在Fe/MgO/Fe 磁性隧道結中，我們發(fā)現(xiàn)在費米能級以上能量約為1.06 eV 處，在Fe/MgO 界面處自旋向下通道存在一個很大的界面態(tài)，這個界面態(tài)位于二維布里淵區(qū)的Γ點附近，因而具有很小的衰減系數(shù)，即使在較厚的MgO勢壘中(3 nm)，也能夠造成很大的透射，表現(xiàn)在透射譜上就是在能量1.06 eV 處自旋向下通道有一個透射峰，這造成了Fe/Mg

2、O/Fe 隧道結磁化反平行配置時自旋向下電子的I-V 曲線在偏壓為1.1 V 附近電流有一個突然的增大，這顯著降低了此時隧道結的磁電阻，我們認為這可能也是實驗中觀察到的Fe/MgO/Fe 磁性隧道結隨著電壓的增大磁電阻下降很快的原因之一。另外，MgO 勢壘相對于Fe 電極較低的勢壘高度（1.2 eV），造成了所有自旋通道的電流都隨著偏壓而迅速增大，這是磁電阻隨偏壓迅速減小的第二個原因。我們在Fe/MgO 界面處增加了一層銀單原子層，發(fā)現(xiàn)

3、這可以顯著抑制自旋向下通道的透射，且抬高了MgO的勢壘高度，我們的計算表明Fe/Ag/MgO/Ag/Fe 隧道結在較高的偏壓下也能獲得很高的磁電阻效應和大的輸出電壓。
　　 在全氧化物磁性隧道結La2=3Sr1=3MnO3/MgO/SrRuO3中，我們發(fā)現(xiàn)在兩鐵磁電極反平行磁化配置時，磁性隧道結展現(xiàn)了一個明顯的整流行為，在偏壓為0.5V 時13 層MgO 勢壘的隧道結中整流比率可達到100 左右，我們證明了這個行為來自于MgO

4、勢壘層的對稱性過濾性質(zhì)。在LSMO 電極的費米能級上具有自旋向上的Δ1態(tài)，它在MgO 勢壘中具有最小的衰減系數(shù)，在鐵磁相SRO 電極上有一個自旋向上的Δ1 態(tài)和自旋向下的Δ5態(tài)，當磁化反平行配置時，LSMO 電極中Δ1 態(tài)的電子很容易隧穿進入SRO 電極，但SRO 電極中沒有自旋向下的Δ1 態(tài)，所以SRO 電極中電子隧穿幾率很小，因而反向電流很小，這就造成了一個整流行為。而在把MgO 勢壘換成8 層SrTiO3 勢壘的隧道結中，沒有表現(xiàn)

5、出整流行為。我們證明隧道整流效應可以通過增加勢壘層的厚度來增強，并且La2=3Sr1=3MnO3/MgO/SrRuO3 磁隧道結可以通過磁化配置的改變來控制它的整流狀態(tài)。這個整流行為完全由量子隧穿過程統(tǒng)治，相較于傳統(tǒng)的半導體器件，我們可望在未來設計出更快速的量子器件，例如隧道二極管和隧道晶體管。
　　 最后，我們提出了一個隧道二極管的模型，闡述了它的原理。在一個絕緣勢壘層夾在兩金屬電極之間的三明治結構中，其中一個電極（發(fā)射極）在