铁磁隧道结的隧穿磁电阻研究

白忠臣，齐 赟，唐维媛

(贵州大学光电子技术及应用重点实验室,贵州 贵阳 550025)

铁磁隧道结的隧穿磁电阻研究

白忠臣，齐 赟，唐维媛

(贵州大学光电子技术及应用重点实验室,贵州 贵阳 550025)

在Slonczewsik自由电子理论模型下，研究了一由铁磁/铁磁绝缘体/铁磁构成的隧道结在零偏压下的隧穿电导、自旋极化率和隧穿磁阻比率。结果表明，隧道结的磁结构对TC(隧穿电导)和TMR(隧穿磁阻)的值有很大的影响，在两磁极磁化方向相同且与势垒分子场同向时，TC取到最小值，而方向为反平行时，TC数值为最大，同时还对分子场取向对自旋电子输运性质的影响进行了分析，所得结果对自旋器件的设计有一定意义。

隧道磁阻；TC; TMR;电子输运；透射系数

1 模型和理论计算

图1 磁性隧道结的示意图

考虑如图1所示的模型体系，在铁磁/铁磁绝缘体/铁磁(FM/FI/FM)隧道结中，电子沿x方向传输，d是势垒厚度，x是垂直膜面的坐标轴，势垒2侧是铁磁层。

利用Slonczewsik自由电子模型，在x方向的哈密顿量可以表示为：

(1)

(3)

在2和3区域，方程的解为:

Ψ2σ=Aσe-k2σx+Bσek2σx0≤x≤d

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(4)

Ψ3σ=Cσe-ik3σ(x-d)x≥d

(5)

MX=N

(6)

(7)

总隧穿电导为:

(8)

定义隧穿磁阻比率:

(9)

隧穿磁阻比率反映了隧穿电导的相对变化。

2 结果与讨论

取分子场h0=0.18eV，h=0.065eV，垒宽d为6.4nm，垒高为Φ=0.111eV［9］，电子有效质量取为自由电子的质量，分析势垒功能以及电子隧穿概率和隧穿电导受分子场影响。

图2和图3分别是隧穿电导及隧穿磁阻受分子场取向变化图，由图可见，在θ1和θ2取值为0°处，电导(TC)为最小值，反之，在θ1和θ2取值为180°处，TC为最大值。在电阻值达到最小处，两磁极的磁化方向平行，且同势垒的分子场取向方向相反；而在θ1=0°，θ2=180 °时，和θ1=180°，θ2=0 °时，TC值相同并位于最大和最小值之间。

在两磁极磁化方向相同且与势垒分子场取向相反时，TC随垒高减小而增大，相反情况时则减小。这种关系是势垒的自旋过滤效应导致的。铁磁绝缘体(FI)的这种效应已被证实［10］，它被当作势垒在隧穿中，可等效为一自旋过滤器，电子的自旋磁化方向与FI的磁化方向相同时，较其他自旋方向电子更容易隧穿势垒，方向相反时，则隧穿效应的可能性小得多。图4是自旋向上电子隧穿率曲线图，图5是自旋向下时的情况。从图可见，陡峭的部分说明了TP(隧穿概率)的值很大程度上依赖于隧道结的磁结构和自旋的取向［11］。在两磁极磁化方向平行且与势垒分子场取向反向时，自旋向上的电子TP值位于最大处，这时的电子能较轻易的通过势垒。

图2 隧穿电导随分子场取向变化图 图3 隧穿磁阻比受分子场取向变化图

图4 自旋向上电子隧穿概率随分子场相对取向的变化 图5 自旋向下电子隧穿概率随分子场相对取向的变化

3 结 论

通过前面的计算分析，得到了电子隧穿磁性隧道结输运性质的关系图。2磁极磁化方向相同且与势垒分子场同向时，TC取到最小值；而方向为反平行时，TC数值为最大值。在计算过程中取了较为简单的外部条件，在下一步研究中会逐步考虑温度、界面粗糙度的影响，计算分析结果对自旋器件的设计有一定意义。

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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

贵州省科学技术基金项目(黔科合J字［2010］2103号)。

白忠臣(1979-)，男，2003年大学毕业，讲师，博士生，现主要从事量子输运方面的教学与研究工作。

［编辑］ 洪云飞