含铁磁半导体层的磁性隧道结中的隧穿磁电阻效应和隧穿时间的研究

作     者：李双伶 

作者单位：四川师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谢征微

授予年度：2019年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：磁性隧道结 Rashba自旋轨道耦合 铁磁半导体 隧穿磁电阻效应 居留时间 相位时间 

摘      要：本文在转移矩阵方法和相干量子传输理论的基础上对铁磁金属/绝缘体/铁磁半导体/普通金属(FM/I/FS/NM)磁性隧道结中的隧穿磁电阻效应和隧穿时间(相位时间和居留时间)进行了研究,主要计算了铁磁半导体层的厚度和其分子场大小、绝缘层的厚度和其势垒高度以及Rashba自旋轨道耦合效应对隧穿磁电阻效应和隧穿时间的影响。本文主要内容如下:在第一章里面,首先我们对自旋电子学研究的发展史做了简单梳理,然后对Rashba自旋轨道耦合效应的产生、原理以及其粒子在输运特性的影响方面做了解释说明,接着介绍了隧穿磁电阻(TMR)效应,最后介绍了与隧穿时间相关的研究背景以及常用的两种隧穿时间理论公式。在第二章里面,在已有的单自旋过滤磁性隧道结:铁磁金属/绝缘体/铁磁绝缘体/普通金属(FM/I/FI/NM)研究的基础上,将其中的铁磁绝缘层(FI)换为铁磁半导体层(FS),研究了铁磁金属/绝缘体/铁磁半导体/普通金属(FM/I/FS/NM)磁性隧道结中的隧穿磁电阻(TMR)现象。结果表明:由于FS层中的自旋过滤效应和Rashba自旋轨道耦合的影响,当改变铁磁半导体层FS的宽度、FS层中的Rashba自旋轨道耦合强度的时候,FM/I/FS/NM结的TMR均出现了振荡现象,随绝缘层I厚度的增加呈饱和趋势,同时FM/I/FS/NM结可以在FS层宽度较大的情况下获得非常大的TMR值,从而避免已有的FM/I/FI/NM单自旋过滤隧道结中TMR随FI层厚度增加而下降所导致FI层不能做的太宽给制造方面增加技术上的难度系数。在第三章里面,在自由电子近似和Winful的隧穿时间模型的基础上,进一步研究了铁磁金属/绝缘体/铁磁半导体/普通金属(FM/I/FS/NM)隧道结中的自旋相关的隧穿时间。研究结果显示:隧穿时间随电子入射能量的变化出现振荡现象;在随绝缘层势垒高度的变化中,自相干项对自旋向上的电子的影响大于自旋向下的电子;在随绝缘层厚度的变化中,由于Hatman效应,隧穿时间出现饱和状态;铁磁半导体FS层中的分子场大小以及Rashba自旋轨道耦合强度对隧穿时间的影响都不大。