白忠臣，齊 赟，唐維媛

(貴州大學(xué)光電子技術(shù)及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴州 貴陽 550025)

鐵磁隧道結(jié)的隧穿磁電阻研究

白忠臣，齊 赟，唐維媛

(貴州大學(xué)光電子技術(shù)及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(gòu)成的隧道結(jié)在零偏壓下的隧穿電導(dǎo)、自旋極化率和隧穿磁阻比率。結(jié)果表明，隧道結(jié)的磁結(jié)構(gòu)對(duì)TC(隧穿電導(dǎo))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(shì)壘分子場(chǎng)同向時(shí)，TC取到最小值，而方向?yàn)榉雌叫袝r(shí)，TC數(shù)值為最大，同時(shí)還對(duì)分子場(chǎng)取向?qū)ψ孕娮虞斶\(yùn)性質(zhì)的影響進(jìn)行了分析，所得結(jié)果對(duì)自旋器件的設(shè)計(jì)有一定意義。

隧道磁阻；TC; TMR;電子輸運(yùn)；透射系數(shù)

1 模型和理論計(jì)算

圖1 磁性隧道結(jié)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(jié)中，電子沿x方向傳輸，d是勢(shì)壘厚度，x是垂直膜面的坐標(biāo)軸，勢(shì)壘2側(cè)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(qū)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(dǎo)為:

(8)

定義隧穿磁阻比率:

(9)

隧穿磁阻比率反映了隧穿電導(dǎo)的相對(duì)變化。

2 結(jié)果與討論

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

圖2和圖3分別是隧穿電導(dǎo)及隧穿磁阻受分子場(chǎng)取向變化圖，由圖可見，在θ1和θ2取值為0°處，電導(dǎo)(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(dá)到最小處，兩磁極的磁化方向平行，且同勢(shì)壘的分子場(chǎng)取向方向相反；而在θ1=0°，θ2=180 °時(shí)，和θ1=180°，θ2=0 °時(shí)，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(shì)壘分子場(chǎng)取向相反時(shí)，TC隨壘高減小而增大，相反情況時(shí)則減小。這種關(guān)系是勢(shì)壘的自旋過濾效應(yīng)導(dǎo)致的。鐵磁絕緣體(FI)的這種效應(yīng)已被證實(shí)［10］，它被當(dāng)作勢(shì)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(shí)，較其他自旋方向電子更容易隧穿勢(shì)壘，方向相反時(shí)，則隧穿效應(yīng)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(shí)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(jié)的磁結(jié)構(gòu)和自旋的取向［11］。在兩磁極磁化方向平行且與勢(shì)壘分子場(chǎng)取向反向時(shí)，自旋向上的電子TP值位于最大處，這時(shí)的電子能較輕易的通過勢(shì)壘。

圖2 隧穿電導(dǎo)隨分子場(chǎng)取向變化圖 圖3 隧穿磁阻比受分子場(chǎng)取向變化圖

圖4 自旋向上電子隧穿概率隨分子場(chǎng)相對(duì)取向的變化 圖5 自旋向下電子隧穿概率隨分子場(chǎng)相對(duì)取向的變化

3 結(jié) 論

通過前面的計(jì)算分析，得到了電子隧穿磁性隧道結(jié)輸運(yùn)性質(zhì)的關(guān)系圖。2磁極磁化方向相同且與勢(shì)壘分子場(chǎng)同向時(shí)，TC取到最小值；而方向?yàn)榉雌叫袝r(shí)，TC數(shù)值為最大值。在計(jì)算過程中取了較為簡(jiǎn)單的外部條件，在下一步研究中會(huì)逐步考慮溫度、界面粗糙度的影響，計(jì)算分析結(jié)果對(duì)自旋器件的設(shè)計(jì)有一定意義。

［1］Tedrow P W，Meservey R.Spin-dependent tunneling into ferromagnetic nickel［J］.Phys Rev Lett，1971，26(4)：192-195.

［2］ Julliere M.Tunneling between ferromagnetic films［J］.Phys Lett A，1975，54(3)：225-226.

［3］ Meservey R，Tedrow P M.Spin-polarized electron tunneling［J］.Phys Rep，1994，238(4)：173-183.

［4］ Slonczewski J C.Conductance and exchange coupling of two ferromagnets separated by a tunneling barrier［J］.Phys Rev B，1989，39(10)：6995-7002.

［5］ Chui S T.Bias dependence in spin-polarized tunneling［J］.Phys Rev B，1997，55(9)：5600-5603.

［6］ 朱林，陳衛(wèi)東，謝征微，等.NM/FI/NI/FI/NM新型雙自旋過濾隧道結(jié)的隧穿電導(dǎo)和隧穿磁電阻［J］.物理學(xué)報(bào)，2006,55(10):5499-5505.

［7］ 趙俊卿,喬士柱，張寧玉. 磁性隧道結(jié)自旋極化電子的隧穿特性［J］. 計(jì)算物理，2008,25(2):235-240.

［8］ 金克新,陳長(zhǎng)樂,趙省貴. 磁隧道結(jié)的研究進(jìn)展［J］. 材料導(dǎo)報(bào).2007,21(3):32-35.

［9］ Nowak J，Rauluszkiewicz J. Spin dependent electron tunneling between ferromagnetic films［J］. J Magn Mater，1992，79：109-116.

［10］ Moodera J S，Meservey R，Hao X.Variation of the electron-spin polarization in EuSe tunnel junctions from zero to near 100% in a magnetic field［J］. Phys Rev Lett，1993，70:853-860.

［11］ HUO Qiu-Hong,WANG Ru-Zhi,CHEN Si-Ying. Spin Transport in a Magnetic Superlattice with Broken Two-Fold Symmetry［J］.Chin Phys Lett，2010,27(6): 067202.

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(xué)技術(shù)基金項(xiàng)目(黔科合J字［2010］2103號(hào))。

白忠臣(1979-)，男，2003年大學(xué)畢業(yè)，講師，博士生，現(xiàn)主要從事量子輸運(yùn)方面的教學(xué)與研究工作。

［編輯］ 洪云飛