MgO基磁性隧道结温度-偏压相图的理论研究

MgO基磁性隧道结是自旋电子器件研究的热点问题,其温度特性和偏压特性在实际应用中极其重要.因此,亟需在理论上计算得到MgO基磁性隧道结的温度-偏压相图.本文构建了适用于单晶势垒层磁性隧道结的理论.该理论将单晶势垒层视作周期性光栅,利用光学衍射理论处理势垒层对隧穿电子的衍射,因此可以很好地计入隧穿电子波的相干性.根据此理论,同时计入温度和偏压的影响计算了MgO基磁性隧道结的温度-偏压相图.理论结果表明,通过调节MgO基磁性隧道结的铁磁电极半交换劈裂能D、化学势μ以及势垒层周期势v(Kh)可以优化其温度特性和偏压特性.该结果为MgO基磁性隧道结的应用提供了坚实的理论基础.     

双势垒磁性隧道结的磁电阻效应及其在自旋晶体管中的应用

利用磁控溅射方法沉积双势垒磁性隧道结多层膜, 其中Al-O势垒层由等离子体氧化1 nm厚的 金属铝膜方式制备，然后采用深紫外光曝光和Ar离子刻蚀技术、微加工制备出长短轴分别为 6和3 μm大小的椭圆形双势垒磁性隧道结（DBMTJ），并在室温和低温下对其自旋电子输运 特性进行了研究. DBMTJ的隧穿磁电阻(TMR)比值在室温和42 K分别达到27％和423％， 结电阻分别为136 kΩ·μm²和175 kΩ·μm²，并在实验中观 察到平行状 态下存在低电阻态及共振隧穿效应，反平行态下呈现高电阻态以及TMR随外加偏压或直流电 流的增加而发生振荡现象. 由此，设计了一种基于这种双势垒磁性隧道结隧穿特性的自旋晶 体管. 关键词： 双势垒磁性隧道结 隧穿磁电阻 共振隧穿效应 自旋晶体管     

磁性隧道结电子输运特性的研究

在Slonczewsik自由电子理论模型下,研究了两铁磁性金属电极被一平面磁性势垒隔开的磁性隧道结零偏压下的隧穿电导、自旋极化率和隧穿磁阻比率,研究表明隧道结的磁结构对隧穿电导和隧穿磁阻的值有很大的影响,当两磁性电极分子场方向相同,且都与势垒层分子场反平行时,隧穿电导数值达到最大,两者平行时,其数值最小,同时还分析了分子场的相对取向等对磁性隧道结自旋极化电子输运性质的影响。研究结果对自旋电子器件的设计具有一定的指导意义。     

磁性隧道结电子输运特性的研究

在Slonczewsik自由电子理论模型下,研究了两铁磁性金属电极被一平面磁性势垒隔开的磁性隧道结零偏压下的隧穿电导、自旋极化率和隧穿磁阻比率,研究表明隧道结的磁结构对隧穿电导和隧穿磁阻的值有很大的影响,当两磁性电极分子场方向相同,且都与势垒层分子场反平行时,隧穿电导数值达到最大,两者平行时,其数值最小,同时还分析了分子场的相对取向等对磁性隧道结自旋极化电子输运性质的影响.研究结果对自旋电子器件的设计具有一定的指导意义.     

磁性隧道结自旋极化电子的隧穿特性

铁磁金属间通过中间层的自旋极化电子隧穿产生的磁性耦合,在自旋电子器件中有许多潜在的应用.考虑由一平面磁性势垒层隔开的两铁磁性金属电极构成的磁性隧道结,针对中间层形成的矩形势垒,在近自由电子模型的基础上,计算零偏压下的隧穿电导、自旋极化率和隧穿磁阻比率,分析势垒层特性、分子场强弱、分子场相对取向等对隧道结自旋极化电子隧穿特性的影响.计算结果对自旋电子器件的设计具有一定的指导意义.     

双势垒抛物势阱磁性隧道结隧穿磁阻及自旋输运性质的研究

采用相干量子输运理论和传递矩阵的方法,在抛物势阱磁性隧道结(F/PW/F)的铁磁和半导体势阱间插入另一种半导体作为势垒,构造具有双势垒的抛物势阱磁性隧道结作为研究对象,研究了抛物势阱宽度、自旋轨道耦合效应、角度效应及插入势垒厚度对隧穿磁阻及自旋输运性质的影响计算结果表明,通过适当调节Rashba自旋轨道藕合强度和插入势垒的厚度,可以实现隧穿磁阻(TMR)的调制,能获得较大的TMR值,这些特点有助于促进新型磁性隧道结的开发和应用.     

4英寸热氧化硅衬底上磁性隧道结的微制备

就如何在4英寸热氧化硅衬底上沉积高质量的磁性隧道结纳米多层薄膜材料和如何利用光刻方法微加工制备均匀性较好的磁性隧道结方面做了初步研究，并对磁性隧 道结的磁电性质及其工作特性进行了初步测量和讨论.利用现有的光刻设备和工艺条 件在4英寸热氧化硅衬底上直接制备出的磁性隧道结，其结电阻与面积的积 矢的绝对误差在10% 以内，隧穿磁电阻的绝对误差在7% 以内，样品的磁性隧道结性质具有较好的均匀性和一致性，可以满足研制磁随机存储器存储单元演示器件的基本要求. 关键词： 磁性隧道结 隧穿磁电阻 磁随机存储器 4英寸热氧化硅衬底     

对称抛物势阱磁性隧道结中的自旋输运及磁电阻效应

研究了两端具有铁磁接触的对称抛物势阱磁性隧道结(F/SPW/F)中自旋相关的隧穿概率和隧穿磁电阻,讨论了量子尺寸效应和Rashba 自旋轨道耦合作用对自旋极化输运特性的影响.研究结果表明:隧穿概率和隧穿磁电阻随抛物势阱宽度的增加发生周期性的振荡.抛物势阱深度的增加减小了隧穿概率和隧穿磁电阻的振荡频率.Rashba 自旋轨道耦合强度的增加加大了隧穿概率和隧穿磁电阻的振荡频率.隧穿概率和隧穿磁电阻的振幅和峰谷比强烈依赖于两铁磁电极中磁化方向的夹角. 关键词： 磁性隧道结 Rashba 自旋轨道耦合 隧穿概率 隧穿磁电阻     

一维梯形势垒透射系数的计算

构造了在超晶格物理中具有潜在应用价值的一维梯形势垒模型并解析地得到了粒子隧穿势垒的透射系数.给出了该透射系数在低能近似和微斜近似下的近似表达式,并指出它可以视为方势阱透射系数在低能下的修正.此外,区别于方势垒模型,梯形势垒透射系数的峰值并不一定对应于共振透射,但是峰值处对应的粒子入射能量近似地满足势垒高度和相应一维无限深梯形势阱中粒子能级之和的规律.     

自旋电子学材料、物理和器件设计原理的研究进展

文章介绍了作者所在实验室在巨磁电阻(GMR)、隧穿磁电阻(TMR)、庞磁电阻(CMR)和反铁磁钉扎薄膜材料以及单晶金属氧化物、高自旋极化率材料、P-N异质结和纳米环磁随机存储器原理型演示器件设计等研究方面取得的一些重要研究成果和进展.例如:在Al-O势垒磁性隧道结材料体系里,获得室温磁电阻超过80%的国际最好结果;获得两种高性能层状反铁磁钉扎材料体系;发现具有大的电致电阻效应的CMR薄膜材料,并可期望用于电流直接进行磁信息写和读操作的磁存储介质;发现双势垒磁性隧道结中的量子阱态共振隧穿和磁电阻振荡效应,以及纳米器件体系中自旋翻转长度的观测新方法,可用于新型自旋电子学材料及相关器件的人工辅助设计;利用电子自旋共振谱探测和研究了金属氧化物的微观自旋结构和各向异性;在[CoFe/Pt]n磁性金属多层膜中,观测到超高灵敏度的反常霍尔效应;利用纳米环状磁性隧道结作为存储单元,研制出一种新型纳米环磁随机存储器MRAM原理型演示器件.     

Co基磁性隧道结势垒结构的电子全息研究

利用高分辨电子显微术和电子全息方法研究了Co基磁性隧道结退火热处理前后的微观结构及相应势垒层结构的变化. 研究结果表明，退火处理可以明显地改善势垒层和顶电极、底电极之间的界面质量，改进势垒层本身的结构. 这与该磁性隧道结经过280℃退火处理后，隧道磁电阻值大大增加是一致的. 关键词： 磁性隧道结 隧道磁电阻 高分辨电子显微学 电子全息     

电子全息对磁隧道结势垒层的研究

利用电子全息显微学方法，从理论和实验两方面，系统研究了磁隧道结势垒层的内势分布，指出了一些在实验过程中应予以注意的实验现象，提出了可能的解决方法. 关键词： 电子全息 磁隧道结 平均内势     

Spin-dependent shot noise in diluted magnetic semiconductor/semiconductor heterostructures with a nonmagnetic barrier

We investigate quantum size effect on the spin-dependent shot noise in the diluted magnetic semiconductor (DMS)/semiconductor heterostructure with a nonmagnetic semiconductor (NMS) barrier in the presence of external magnetic and electric fields. The results demonstrate that the NMS barrier plays a quite different role from the DMS layer in the electron transport process. It is found that spin-down shot noise shows relatively regular oscillations as the width of DMS layer increases, while the spin-up shot noise deceases monotonically. However, as the width of NMS layer increases, the spin-down shot noise displays irregular oscillations at first and then decreases while the spin-up shot noise decreases at a quite different rate. The results indicate that the shot noise can be used as a sensitive probe in detecting material type and its size.     

栅极电势对强光场下石墨烯场效应管中电子隧穿的影响

利用时域有限差分方法研究了强光场下石墨烯场效应管中栅极电势对电子隧穿的影响. 在强光场下由于光学stark效应,石墨烯场效应管的完美手征透射被抑制.这种抑制除了 可以利用光场来调控外,也可以通过改变栅极电势的宽度、势垒高度等来调控. 研究了非方势垒中电子的隧穿. 研究发现,当电势的倾斜较小时,电子隧穿概率变化不大.而当电势倾斜很大时,电子隧穿概率急剧改变.     

ZnO-Bi2O3系压敏陶瓷的导电过程与等效势垒高度

研究了ZnO-Bi₂O₃系压敏陶瓷等效势垒高度_eff随着归一化电压的变化规律，发现等效势垒高度_eff随着归一化电压的增加先逐渐增大，达到最大值后持续下降.由于在外加电压作用下反偏势垒高度高于正偏势垒高度，等效势垒高度_eff主要取决于反偏势垒.因此，这种变化规律说明了ZnO压敏陶瓷晶界的导电过程可能存在三个阶段.在低归一化电压区，晶界区域中的电子从正偏势垒区注入到晶界无序层的速率低于电子从晶界无序 关键词： ZnO压敏陶瓷 归一化电压 等效势垒高度 导电过程     

Electron and plasma stream reflection at a nonadiabatic mirror

Experimental investigations of the phenomena occurring when low density electron and plasma beams are injected into a nonadiabatic magnetic mirror are presented. Effects of nonadiabaticity and mirror ratio on the reflectivity of the magnetic mirror are measured. Transition of the mirror from adiabatic to strongly nonadiabatic results in setting up of a potential barrier which enhances the reflectivity.     

Underbarrier interference

Quantum tunneling through a two-dimensional static barrier becomes unusual when a momentum of an electron has a tangent component with respect to a border of the prebarrier region. If the barrier is not homogeneous in the direction perpendicular to tunneling a fraction of the electron state is waves propagating away from the barrier. When the tangent momentum is zero a mutual interference of the waves results in an exponentially small outgoing flux. The finite tangent momentum destroys the interference due to formation of caustics by the waves. As a result, a significant fraction of the prebarrier density is carried away from the barrier providing a not exponentially small penetration even through an almost classical barrier. The total electron energy is well below the barrier.     

Magnetic correction to the anomalous magnetic moment of electrons

We investigate the leading order correction of anomalous magnetic moment (AMM) to electrons in a weak magnetic field and find that the magnetic correction is negative and magnetic field dependent, indicating a magnetic catalysis effect for the electron gas. In the laboratory, to measure the g − 2, the magnitude of the magnetic field B is several T, and correspondingly the magnetic correction to the AMM of electron/muon is around 10⁻³⁴/10⁻⁴², therefore the magnetic correction can be safely neglected in the current measurement. However, when the magnitude of the magnetic field strength is comparable with the electron mass, the magnetic correction of the electron's AMM will become considerable. This general magnetic correction to the charged fermion's AMM can be extended to study quantum chromodynamic matter under a strong magnetic field.     

Flux pinning by a barrier on the surface of YBaCuO grains studied in dynamic regime

The model of a surface barrier was found to explain well the observed behaviour in quasi-static magnetization experiments on highT_csuperconductors. We study this phenomenon in dynamic conditions in an AC magnetic field with frequencies ranging from 3 Hz up to 115 kHz. The experimental data recorded on a polycrystalline YBaCuO sample are explained by a model supposing the existence of an intergrain critical state and the barrier on the surface of the grains. The most striking feature we found is the decrease of the surface barrier with increasing frequency.