自旋—轨道耦合作用对多层结构磁性隧道结输运性质的影响

论文摘要

随着科技的不断进步,电子器件尺寸也不断缩小。因此,对于电子输运特性的研究也逐渐进入到了介观领域,同时电子的自旋极化输运特性也引起了人们的广泛关注。为了更好地控制电子自旋,并将其运用到新型半导体电子器件中,我们就需要从理论上深入地了解与电子自旋相关的各种现象。本文在相干量子传输理论和转移矩阵方法的基础上,就磁性隧道结中电子输运特性做了一些理论上的研究工作。本文包含的主要内容如下:在第一章中,我们首先简单地介绍了自旋电子学的兴起和发展,然后对Rashba自旋轨道耦合效应和自旋过滤效应进行了解释,接着又阐述了隧穿磁电阻的两种理论计算模型,即Julliere模型和Slonczewski近自由电子模型。在第二章中,我们采用Slonczewski近自由电子模型,利用转移矩阵的方法对NM/FS1/I/FS2/NM型双自旋过滤隧道结中隧穿磁电阻(TMR)和隧穿电导进行了理论研究。数值计算结果显示,由于FS层中的自旋过滤效应和Rashba自旋轨道耦合效应,该双自旋过滤隧道结存在着大的TMR。当左右两边FS层厚度相等时可取得最大的TMR值。隧穿磁电阻和隧穿电导将随FS层中Rashba自旋轨道耦合系数的变化出现振荡现象。随着自旋轨道耦合系数的增大,TMR和隧穿电导振荡加快,振荡周期越来越短。同时,隧穿电导的振幅变化不大,而TMR的振幅却有明显的变化。在第三章中,我们采用同种方法研究了FM/S1/I/S2/FM型隧道结中半导体层厚度和自旋轨道耦合强度对隧穿情况的影响。计算结果表明:随着自旋轨道耦合系数和半导体厚度的变化,隧穿磁电阻和隧穿系数出现振荡现象。当左右两边S层中的自旋轨道耦合强度相同时,隧穿磁电阻的值总是为正,但当两边S层中的自旋轨道耦合强度不相同时,该隧道结中会出现一个大的负的TMR效应。另外,当两边半导体层中自旋轨道耦合强度比值增大时,与半导体层厚度有关的TMR曲线振荡幅度会显著的提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 自旋电子学研究进展
• 1.2 Rashba 自旋轨道耦合效应和自旋过滤效应
• 1.2.1 Rashba 自旋轨道耦合效应
• 1.2.2 自旋过滤效应
• 1.3 磁电阻效应的研究
• 1.3.1 巨磁电阻效应
• 1.3.2 隧穿磁电阻效应
• 1.4 隧穿磁电阻的理论模型
• 1.4.1 Julliere 的理论模型
• 1.4.2 Slonczewski 的理论模型
• 1.4.3 转移哈密顿量法
• 第二章 多层结构双自旋过滤隧道结中的电子输运特性
• 2.1 引言
• 2.2 理论模型
• 2.3 数值结果与讨论
• 2.3.1 FS 层和绝缘层厚度与隧穿磁电阻TMR 的关系
• 2.3.2 在不同的磁矩相对夹角下自旋轨道耦合强度k R 对隧穿磁电阻TMR 和隧穿电导G （θ） 的影响
• 2.4 小结
• 第三章 FM/S1/I/S2/FM 型异质结中 Rashba 自旋轨道耦合效应对隧穿磁电阻和隧穿系数的影响
• 3.1 引言
• 3.2 理论模型
• 3.3 数值结果与讨论
• 3.3.1 自旋轨道耦合效应的影响
• 3.3.2 在不同的 Rashba 自旋轨道耦合强度下，半导体层厚度对隧穿磁电阻TMR 的影响
• 3.4 小结
• 第四章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 在校期间的科研成果