鐵磁隧道結的隧穿磁電阻研究

白忠臣，齊 赟，唐維媛

(貴州大學光電子技術及應用重點實驗室,貴州 貴陽 550025)

鐵磁隧道結的隧穿磁電阻研究

白忠臣，齊 赟，唐維媛

(貴州大學光電子技術及應用重點實驗室,貴州 貴陽 550025)

在Slonczewsik自由電子理論模型下，研究了一由鐵磁/鐵磁絕緣體/鐵磁構成的隧道結在零偏壓下的隧穿電導、自旋極化率和隧穿磁阻比率。結果表明，隧道結的磁結構對TC(隧穿電導)和TMR(隧穿磁阻)的值有很大的影響，在兩磁極磁化方向相同且與勢壘分子場同向時，TC取到最小值，而方向為反平行時，TC數值為最大，同時還對分子場取向對自旋電子輸運性質的影響進行了分析，所得結果對自旋器件的設計有一定意義。

隧道磁阻；TC; TMR;電子輸運；透射系數

1 模型和理論計算

圖1 磁性隧道結的示意圖

考慮如圖1所示的模型體系，在鐵磁/鐵磁絕緣體/鐵磁(FM/FI/FM)隧道結中，電子沿x方向傳輸，d是勢壘厚度，x是垂直膜面的坐標軸，勢壘2側是鐵磁層。

利用Slonczewsik自由電子模型，在x方向的哈密頓量可以表示為：

(1)

(3)

在2和3區域，方程的解為:

Ψ2σ=Aσe-k2σx+Bσek2σx0≤x≤d

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(4)

Ψ3σ=Cσe-ik3σ(x-d)x≥d

(5)

MX=N

(6)

(7)

總隧穿電導為:

(8)

定義隧穿磁阻比率:

(9)

隧穿磁阻比率反映了隧穿電導的相對變化。

2 結果與討論

取分子場h0=0.18eV，h=0.065eV，壘寬d為6.4nm，壘高為Φ=0.111eV［9］，電子有效質量取為自由電子的質量，分析勢壘功能以及電子隧穿概率和隧穿電導受分子場影響。

圖2和圖3分別是隧穿電導及隧穿磁阻受分子場取向變化圖，由圖可見，在θ1和θ2取值為0°處，電導(TC)為最小值，反之，在θ1和θ2取值為180°處，TC為最大值。在電阻值達到最小處，兩磁極的磁化方向平行，且同勢壘的分子場取向方向相反；而在θ1=0°，θ2=180 °時，和θ1=180°，θ2=0 °時，TC值相同并位于最大和最小值之間。

在兩磁極磁化方向相同且與勢壘分子場取向相反時，TC隨壘高減小而增大，相反情況時則減小。這種關系是勢壘的自旋過濾效應導致的。鐵磁絕緣體(FI)的這種效應已被證實［10］，它被當作勢壘在隧穿中，可等效為一自旋過濾器，電子的自旋磁化方向與FI的磁化方向相同時，較其他自旋方向電子更容易隧穿勢壘，方向相反時，則隧穿效應的可能性小得多。圖4是自旋向上電子隧穿率曲線圖，圖5是自旋向下時的情況。從圖可見，陡峭的部分說明了TP(隧穿概率)的值很大程度上依賴于隧道結的磁結構和自旋的取向［11］。在兩磁極磁化方向平行且與勢壘分子場取向反向時，自旋向上的電子TP值位于最大處，這時的電子能較輕易的通過勢壘。

圖2 隧穿電導隨分子場取向變化圖 圖3 隧穿磁阻比受分子場取向變化圖

圖4 自旋向上電子隧穿概率隨分子場相對取向的變化 圖5 自旋向下電子隧穿概率隨分子場相對取向的變化

3 結 論

通過前面的計算分析，得到了電子隧穿磁性隧道結輸運性質的關系圖。2磁極磁化方向相同且與勢壘分子場同向時，TC取到最小值；而方向為反平行時，TC數值為最大值。在計算過程中取了較為簡單的外部條件，在下一步研究中會逐步考慮溫度、界面粗糙度的影響，計算分析結果對自旋器件的設計有一定意義。

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10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.07.006

O485

A

1673-1409(2012)07-N012-03

2012-04-12

貴州省科學技術基金項目(黔科合J字［2010］2103號)。

白忠臣(1979-)，男，2003年大學畢業，講師，博士生，現主要從事量子輸運方面的教學與研究工作。

［編輯］ 洪云飛