多鐵壘隧道結(jié)的自旋輸運(yùn).pdf

1、本論文重點(diǎn)研究了多鐵壘隧道結(jié)中的自旋輸運(yùn)性質(zhì)，包括自旋過濾效應(yīng)、隧穿磁電阻效應(yīng)和隧穿電致電阻效應(yīng)。詳細(xì)分析了勢壘的多鐵性，包括鐵磁性和鐵電性，以及勢壘的逆壓電性對隧道結(jié)自旋輸運(yùn)的作用機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，建立了相應(yīng)的理論模型，詳細(xì)研究了勢壘的多鐵性和逆壓電性對隧道結(jié)自旋輸運(yùn)性質(zhì)可能產(chǎn)生的作用和影響，探索了增強(qiáng)機(jī)制和相應(yīng)的調(diào)控手段。 具體工作主要有以下幾方面： 1．利用單相多鐵壘隧道結(jié)提高半導(dǎo)體的自旋注入效率并實(shí)現(xiàn)多重調(diào)控。

2、 分析了鐵磁壘和鐵電壘隧道結(jié)中產(chǎn)生自旋過濾效應(yīng)的機(jī)制，發(fā)現(xiàn)它們分別屬于兩種不同的類型：勢壘高度的自旋相關(guān)性和勢壘厚度的自旋相關(guān)性。由于鐵磁-鐵電型單相多鐵壘同時(shí)具有鐵磁性和鐵電性，因此，如果選用合適的電極與多鐵壘相結(jié)合，就有可能在一個(gè)隧道結(jié)中同時(shí)實(shí)現(xiàn)這兩種自旋過濾機(jī)制。基于這樣的考慮，建立了一種新的多鐵壘隧道結(jié)模型，即DMS-MF-NS模型，其中DMS為稀磁半導(dǎo)體電極，MF為鐵磁-鐵電型單相多鐵壘，NS為非磁半導(dǎo)體電極。該模型的關(guān)

3、鍵是DMS電極與多鐵壘的結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)隧道結(jié)中同時(shí)存在兩種自旋過濾機(jī)制。當(dāng)這兩種機(jī)制同時(shí)發(fā)生作用時(shí)，就可以使自旋過濾效應(yīng)得到增強(qiáng)，從而可以利用這一模型提高對半導(dǎo)體的自旋注入效率。同時(shí)，通過外場對多鐵壘中磁矩和電極化取向的控制，可以實(shí)現(xiàn)注入自旋態(tài)的四重控制。 2．利用鐵磁-鐵電型兩相復(fù)合多鐵壘隧道結(jié)增強(qiáng)自旋輸運(yùn)效應(yīng)。 現(xiàn)有的天然單相多鐵材料很難同時(shí)具備較強(qiáng)的鐵磁性和鐵電性，而且，它們的居里溫度都較低，室溫下多鐵性很

4、弱甚至消失，從而使多鐵壘隧道結(jié)的應(yīng)用前景受到很大限制。這就促使人們通過其他途徑來尋找更強(qiáng)的多鐵材料，如通過技術(shù)設(shè)計(jì)將一層鐵磁材料和一層鐵電材料進(jìn)行復(fù)合，構(gòu)成鐵磁．鐵電型兩相復(fù)合多鐵材料。對于這種以鐵磁-鐵電型復(fù)合多鐵材料為勢壘的多鐵壘隧道結(jié)中的自旋輸運(yùn)性質(zhì)，理論的研究還很缺乏。為此，建立了一種復(fù)合多鐵壘隧道結(jié)模型，即M1-FE-FM-M2模型，其中FE表示一層鐵電壘，F(xiàn)M表示一層鐵磁壘，M1和M2分別為兩個(gè)金屬性電極。通過這一模型，研究

5、了復(fù)合多鐵壘隧道結(jié)中自旋輸運(yùn)的主要特性。結(jié)果表明，由強(qiáng)鐵磁層與強(qiáng)鐵電層進(jìn)行復(fù)合而構(gòu)建的多鐵性較強(qiáng)的復(fù)合多鐵壘隧道結(jié)中，存在著比單相多鐵壘隧道結(jié)中強(qiáng)得多的自旋過濾效應(yīng)、隧穿磁電阻效應(yīng)和隧穿電致電阻效應(yīng)，并且在這種隧道結(jié)中，對自旋輸運(yùn)效應(yīng)的調(diào)控手段也可以更加多樣化。 3．外加偏壓下勢壘的逆壓電性對隧道結(jié)自旋輸運(yùn)性質(zhì)的作用與影響。 研究表明，不僅大部分鐵電材料具有逆壓電性，而且許多多鐵材料也具有明顯的逆壓電性。因此，在外加偏壓

6、的情況下，多鐵壘中的逆壓電性將不可避免地對隧道結(jié)中的電子隧穿行為產(chǎn)生影響。目前，關(guān)于鐵電壘隧道結(jié)中的逆壓電性對電子隧穿特性的影響已經(jīng)有人從理論上進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究，但對于多鐵壘隧道結(jié)的相關(guān)研究仍是空白。為此，分別建立了單相多鐵壘隧道結(jié)和復(fù)合多鐵壘隧道結(jié)模型，對其中勢壘的逆壓電性可能對自旋輸運(yùn)產(chǎn)生的作用和影響進(jìn)行了詳細(xì)研究和分析。結(jié)果表明，勢壘的逆壓電性將對自旋過濾效應(yīng)、隧穿磁電阻效應(yīng)和隧穿電致電阻效應(yīng)產(chǎn)生明顯的增強(qiáng)或削弱作用，具體取決