磁电子学讲座 第五讲 自旋极化输运及隧道巨磁电阻效应

简要回顾了利用量子隧道效应测定铁磁金属传导电子自旋极化率的研究历史．综述了自旋极化电子隧穿效应导致的“铁磁金属／非磁绝缘体／铁磁金属”三层平面型隧道结（简称ＦＭ／Ｉ／ＦＭ隧道结）中的巨磁电阻效应以及“铁磁金属／非磁绝缘体”颗粒膜系统中的隧穿类型巨磁电阻效应的研究进展．     

硅基双势垒金属-绝缘层-金属-绝缘层-半导体隧道发光结

讨论了硅基双势垒金属－绝缘层－金属－绝缘层－半导体（MIMIS）隧道发光结的结构、制备方法及发光特性。所制备的样品最大发光亮度达到1．9cd/m^2、光谱的峰值波长移到了蓝绿光区，表明双势垒MIMIS隧道发光结的性能优于单势垒金属－绝缘层－半导体（MIS）隧道发光结。利用量子力学的共振隧穿效应对它作了较好的解释。     

第五讲 自旋极化输运及隧道巨磁电阻效应

简要回顾了利用量子隧道效应测定铁磁金属传导电子自旋极化率的研究历史，综述了自旋极化电子隧穿产应导致的“铁磁金属／非磁绝缘体／铁磁金属”三层平面型隧道结中的巨磁电阻效应以及“铁磁金属／非磁绝缘体”颗粒膜系统中的隧穿类型巨磁电阻效应的研究进展。     

Bi_2Sr_2Ca(Cu_(1-x)Zn_x)_2O_(8 δ)单晶体的扫描隧道显微谱

198 6年 ,ＩＢＭ苏黎世实验室的两位科学家因研制成功扫描隧道显微镜 (ＳＴＭ )而被授予诺贝尔奖 ;同年 ,同是这个实验室的Ｂｅｄｎｏｒｚ和Ｍ櫣ｌｌｅｒ发现了铜氧化物高温超导体 ,为此 ,他俩于次年也获得了诺贝尔奖 .最近 ,来自美国加州大学的Ｐａｎ等利用ＳＴＭ完成了一项有关高温超导机理的重要研究 .他们的研究对象是Ｚｎ掺杂Ｂｉ - 2 2 12单晶体 .通过拓扑成像和隧穿谱的测量 ,研究者们发现 :在杂质原子Ｚｎ格点的周围存在“十字样”的局域杂质态———这是该效应被预言以来首次获得的实验观察 .尽管高温超导体的组分、结构复杂多样 ,…     

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.     

利用扫描隧道谱(STS)对石墨单晶表面局域电子态的研究

利用ＳＴＳ测量并结合扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）扫描图象，给出一组沿石墨单晶表面原子分辨的ＳＴＭ图象上某一线段各点处的扫描隧道谱．ｄ（lｎI）／ｄ（lｎＶ）～ｅＶ由测量谱给出的样品表面Ｅ_Ｆ附近局域态密度分布与由体能带结构计算得到的结果在一定程度上相符合，将各条曲线中Ｅ_Ｆ附近的态密度峰能量对相应的空间位置作图，给出石墨表面E_F附近能态密度在测量区域内实空间的变化。通过对表面不等价Ａ，Ｂ类原子处局域电子结构的分析并利用简单模型进行计算，给出了与实验 关键词：     

纳米隧道结的量子电容现象

利用STM针尖和二维Au纳米团簇构造的双隧道结，通过对单电子隧穿谱的测量，研究了纳米隧道结的电容随隧道结宽度的变化，发现电容随结宽度的变化偏离了经典电容的行为，为纳米隧道结的量子电容效应提供了实验证据。     

反铁磁Cr插入层对CoFe/MgO/CoFe磁性隧道结的隧穿磁电阻的影响

利用基于密度泛函理论和非平衡态格林函数的第一性原理计算研究了CoFe/MgO/CoFe磁性隧道结的隧穿磁电阻效应。给出了该隧道结隧穿磁电阻与偏压的依赖关系,并计算了平行结构与反平行结构相应的I-V特性曲线和传输谱。通过在一侧电极与势垒层之间插入反铁磁金属Cr层,观察到了隧穿磁电阻、电导随插入层Cr层数增加发生衰减和2个原子层周期的振荡现象,这主要是由于Cr拥有反铁磁结构,在Cr/MgO界面形成了与Cr磁矩取向相关的界面散射。     

反铁磁Cr插入层对CoFe/MgO/CoFe磁性隧道结的隧穿磁电阻的影响

利用基于密度泛函理论和非平衡态格林函数的第一性原理计算研究了CoFe/MgO/CoFe磁性隧道结的隧穿磁电阻效应.给出了该隧道结隧穿磁电阻与偏压的依赖关系,并计算了平行结构与反平行结构相应的I-V特性曲线和传输谱.通过在一侧电极与势垒层之间插入反铁磁金属Cr层,观察到了隧穿磁电阻、电导随插入层Cr层数增加发生衰减和2个原子层周期的振荡现象,这主要是由于Cr拥有反铁磁结构,在Cr/MgO界面形成了与Cr磁矩取向相关的界面散射.     

反铁磁Cr插入层对CoFe/MgO/CoFe磁性隧道结的隧穿磁电阻的影响

利用基于密度泛函理论和非平衡态格林函数的第一性原理计算研究了CoFe/MgO/CoFe磁性隧道结的隧穿磁电阻效应。给出了该隧道结隧穿磁电阻与偏压的依赖关系,并计算了平行结构与反平行结构相应的I-V特性曲线和传输谱。通过在一侧电极与势垒层之间插入反铁磁金属Cr层,观察到了隧穿磁电阻、电导随插入层Cr层数增加发生衰减和2个原子层周期的振荡现象,这主要是由于Cr拥有反铁磁结构,在Cr/MgO界面形成了与Cr磁矩取向相关的界面散射。     

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.     

金属-氧化物界面在磁隧道结中的作用

磁隧道结通常是指由两层磁性金属和它们所夹的一层氧化物绝缘层 (Ⅰ )所组成的三明治结构 .通过绝缘层势垒的隧穿电子是自旋极化的 ,这种自旋极化能够反映作为电极的铁磁金属费米能级处态密度 (ＤＯＳ)的变化 .起源于自旋极化的隧道磁阻(ＴＭＲ)效应已成为当代磁学的一个研究热点 .尽管目前在ＴＭＲ的研究和应用方面已有所发展 ,但在理解隧穿自旋极化方面还存在一定的分歧 ,争论的焦点是金属 -氧化物界面对自旋极化的影响 .对于Ｃｏ、Ｎｉ等铁磁金属 ,由于多数自旋电子所处的ｄ带位于费米能级之下 ,理论预期其自旋极化应该是负的 .然而Ｆ/Ａ…     

高Z元素类镍离子谱研究

用ＰＥＴ平晶谱仪测量了Ｈｆ,Ｔａ，Ｗ和Ｒｅ激光等离子体发射波长范围为５－８?的软Ｘ射线谱，重点研究了其类镍离子谱线，精确测量和准确辨认出四种高Ｚ元素的３７条ｎ＝３－４的类镍离子共振跃迁线和内壳层跃迁线。整个测量范围内谱线精确波长值的绝对误差小于０．００５?．与ＭＣＤＦ方法和ＨＦＲ方法得到的理论计算结果比较，两者符合相当好。 关键词：     

高温超导体中的慢速、平带和条纹

高温超导的研究热潮已经持续了１３年，凝聚态物理学界对这一空前复杂体系的研究兴趣至今未有衰退的趋势．最近，美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室的Ｂａｌａｔｓｋｙ等，就转变温度Ｔｃ难于提高的问题，发表了独到的见解．为了探索高温超导的形成机理，Ｐ－Ｗ－Ａｎｄｅｒｓｏｎ很早就提出了所谓层间隧穿（ＩＬＴ）模型．按照Ａｎｄｅｒｓｏｎ的观点，对于高温超导体（ＨＴＳ）来说，驱动库珀对形成的“能量节省”，不是来自电声子相互作用，而是由于配对电子更容易在近邻ＣｕＯ２平面之间隧穿．库珀对在ｃ轴方向的隧穿引起了空间位置不确定…     

纳米隧道结的量子电容现象

利用STM针尖和二维Au纳米团簇构造的双隧道结,通过对单电子隧穿谱的测量,研究了纳米隧道结的电容随隧道结宽度的变化,发现电容随结宽度的变化偏离了经典电容的行为,为纳米隧道结的量子电容效应提供了实验证据.     

双势垒磁性隧道结中量子阱共振隧穿效应的第一性原理理论

磁性隧道结材料中自旋相关的量子阱态所导致的共振隧穿现象具有很重要的研究和应用价值，文章介绍了最近在Fe（001）／MgO／Fe／MgO／Fe双势垒磁性隧道结中存在的量子阱共振隧穿效应的理论研究工作，通过量子阱态的第一性原理的计算以及结合对中间Fe薄膜孤岛结构所导致Coulomb阻塞效应的分析，证实了最近Nozaki等人（Nozaki T et al．Phys．Rev．Lett．，2006，96：027208）实验中得到的振荡效应确实来源于中间Fe层多数自旋电子在Г点处形成的△1对称性的量子阱态．Coulomb阻塞效应的存在正是导致实验中低温下量子阱共振隧穿效应不够明显的主要原因．     

光子扫描隧道显微镜和扫描隧道显微镜联用系统的研制

报导我们研制的一套光子扫描隧道显微镜（ＰＳＴＭ）和扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）联用系统的初步实验结果。联用系统采用的基本结构为早先研制的一台ＰＳＴＭ，另外增加了一个ＳＴＭ通道，通过真空蒸镀金膜制作了既导电又导光的光纤探针，联用系统用ＳＴＭ通道隧道电流反馈控制探针高度。初步实验结果表明，ＰＳＴＭ和ＳＴＭ通道既能分别单独成像，亦能用导电导光探针实现ＰＳＴＭ和ＳＴＭ同时成像。     

p—HgCdTe反型层中子能带电子的基态能量

用变分自洽方法求解了ｐ－ＨｇＣｄＴｅ金属－绝缘体－半导体（ＭＩＳ）结构Ｎ型反型层子能带的基态能量Ｅ０及其与表面电子浓度的关系。计算中考虑了窄禁带半导体Ｈｇ１－ｘＣｄｘＴｅ带间相互作用所引起的非抛物带结构、波函数平均效应、共振缺陷态、Ｚｅｎｅｒ隧穿、以及电场在屏蔽长度内的衰减等因素，导出了子能带基态能量Ｅ０的计算公式并获得了与实验符合较好的结果。     

浅光晶格中量子隧穿现象的实验观测

基于一维水平光晶格的锶原子光晶格钟实验平台,当系统的稳定度和不确定度达到10-18量级以上时,由量子隧穿效应引起的钟频移变得不容忽视.在浅光晶格中,量子隧穿效应会使钟跃迁谱线发生明显的展宽现象,因此,本文通过研究浅光晶格中的量子隧穿现象,为⁸⁷Sr原子光晶格钟系统不确定度的评估奠定基础.本实验在一维⁸⁷Sr原子光晶格钟平台上,利用超稳超窄线宽的698 nm激光激发⁸⁷Sr冷原子~lS₀(|g>)→~3P₀(|e>)跃迁(即钟跃迁),实现了对锶原子分布在特定量子态的制备.在深光晶格中,将原子制备到|e,n_z=1>态后,再绝热地降低光晶格阱深,然后在浅光晶格中,探测激发态的载波-边带可分辨的钟跃迁谱线.从钟跃迁谱线中观测到载波谱线发生了明显的劈裂,表明原子在光晶格相邻格点间产生了明显的量子隧穿现象.通过对光晶格中量子隧穿机制的理解,不仅有利于提高光晶格钟的不确定度,也可为观测光晶格中费米子的自旋轨道耦合效应提供基础数据.