[硕博论文][凝聚态物理]分形半导体多层异质结构中的自旋极化输运

[硕博 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ][凝聚态物理]分形半导体多层异质结构中的自旋极化输运 河北师范大学 博士学位论文分形半导体多层异质结构中的自旋极化输运特性研究 姓名:刘德 申请学位级别:博士 专业:凝聚态物理 指导教师:孔小均 20090310 摘要 本论文选择具有重要应用价值和基础理论研究意义的两端具有铁磁接触的分形半导体多层异质结构(,,,,,,,)作为研究对象，针对其中的电子自旋极化输运现象、关联系数、电流以及散粒噪声等问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 进行较为细致的研究，通过与两端具有铁磁接触的周期半导体多层异质结构(,,,,,,,)中的相关结果比较，揭示了一些新效应及其物理机制。旨在探索新的量子结构，为可能的具有特殊性质的非线性自旋电子学器件的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 开发提供理论依据。本文得到的主要结论如下: (,)在自旋极化输运过程中，提出了一种具有自相似结构的,,,,,,,异质结构。,,,,,,,异质结构可以看作是属于,,,,,异质结构的一种带有缺陷的具有严格周期性的,,,,,佰异质结构。 (,)基于相干量子输运理论，考虑,,,,,,自旋一轨道耦合相互作用，我们系统地研究了,,,,,,,和相应,,,,,,,异质结构中半导体层厚确定和随机变化两种情况下的自旋极化电子的输运性质;分别讨论了两种不同结构的隧穿几率与结构迭代次数刀、半导体多层结构的总长度,、,,,,,,自旋一轨道耦合强度,冠,,。和半导体层厚随机变化的随机度,之间的依赖关系。计算结果表明，,,,,,,,异质结构的隧穿谱与,,,,,,,异质结构的隧穿谱相比具有许多有趣的特性。例如，更显著的量子尺寸效应、更加尖锐的局域共振峰和半导体层厚随机波动的稳定性等等。同时，我们也发现，在半导体层厚存在随机变化的,,,,,,,和,,,,,,,异质结构中，自旋向上和自旋向下电子的隧穿几率不仅在左右铁磁体磁化方向平行(,)时可以分离，而且在磁化方向反平行(,,)时也会分离。这一结果与层厚没有随机变化的情况明显不同。 (,)借助关联系数研究了自旋极化电子输运过程中的分形行为。通过计算隧穿几率的关联系数表明:与,,,,,,,异质结构的隧穿谱相比，,,,,,,,异质结构的隧穿谱具有与半导体多层中各层的分形分布有关的部分自相似结构。也就是说，共振隧穿谱与几何结构之间有一个清晰而直接的关联。 (,)基于相干量子理论和,,,,,,,,(,,,,,,,,,散射理论，考虑,,,,,,自旋一轨道耦合相互作用，我们系统地研究了电场作用下电子隧穿第四代,,,,,,,异质结构和相应 ，，，,,,,,,,异质结构的自旋相关的散粒噪声的性质。计算并讨论了两种不同结构的电流、散粒噪声和,,,,因子与半导体多层结构的总长度、,,,,,,自旋一轨道耦合相互作用、外加偏压以及两铁磁接触磁矩间夹角的依赖关系。结果表明，电流、散粒噪声和,,,,因子具有强自旋依赖性，不仅能够通过外加偏压和,,,,,,,刍旋一轨道耦合相互作用进行调制，而且也与半导体多层的总长度和两铁磁接触磁矩间的夹角等结构参数密切相关。 (,)与,,,,,,,异质结构相比，,,,,,,,异质结构的电流、散粒噪声和,,,,因子具有一些有趣的物理性质。例如，更显著的量子尺寸效应、随着偏压或,,,,,,自旋一轨道耦合强度的增加表现出的低频非周期振荡规律以及随角度的增加出现的对,,,,,,自旋一轨道耦合强度的弱依赖性等。我们的结果进一步表明，在准一维自旋晶体管器件的实现和量子相干自旋电子学器件的设计上，,,,,,,,异质结构可能比,,,,,,,异质结构更占有优势。因此，我们的研究结果可能会促进和激发人们对介观输运过程中精细物理机制的进一步研究，也有可能用于优化未来自旋电子学器件的设计。 关键 词:分形半导体多层自旋一轨道耦合白旋极化输运关联系数噪声 ,,,,,,;, ，, ,,,, ,,,,, ,, ,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,;,,,, ,,, ,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,,,, ,,,,,;,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,;,,, ,,,,;,,,,;,,, ,,,,,,,,,,, ,,,, ,,, ,,,,,,,,,,,,;;,,,,;,,(,,,,,,,),, ,,, ,,,,,,;, ,, , ,,,,,,,,,, ,,,,,,;,,,,，,,,;, ,,,,,,, ,,,,, ,,,,,,,,,,, ,,,,,, ,,,,,;,,,,,,(,,, ,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,,,, ,, ,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,, ,,, ;,,,,,,, ,,,, ,,,, ,, ,,,,,,,; 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,,,,;,,(,,, ,,,,,,,,,, ,,,, ,,,, ,,,,, ,, ,,, ,,;,,,,,, ,,,,,,, ,,,,, ,, ,,, ,,,,,, ,,;,,,,,,, ,, ,,,,,;,,,;,,,,,,,,, ,,,;,,,,, ,,, ,,,, ,,,,,,,, ,,, ,,,,,, ,, ,,,,,, ,,,,,,,,,; ,,,,;,,( ,,, ,,,,,:,,,;,,, ,,,,;,,,,;,,, ,,,,,,,,,,, ,,,,—,,,,,, ;,,,,,,, ,,,,?,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ;,,,,,,,,,, ;,,,,,;,,,, ,,,,,,， 学位论文原创性声明 本人所提交的学位论文《分形半导体多层异质结构中的自旋极化输运特性研究》，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的原创性成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中标明。 本声明的法律后果由本人承担。 论文作者(签名):壶,锤已 姆导 ( ,协 ,? 伽夕年争月沾日? 沙 舢畔 月 戳彩釉拍),, 孵年 蝴, 旷 认二， ， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解河北师范大学有权保留并向国家有 关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权河北师范大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在——年解密后适用本授权书) 论文作者(签名);穆缘 指导狮;签狲缈七与 夕加夕年簪月彩日 ‖乜,加 , , 绪论 ,(, 自旋电子学的研究与进展 自旋电子学(,,,,,,,,,;,，,,,,—,,,;,,,,,;,或者,,,,,,,,,, ,,,;,,,,,;,)包括磁电子学和半导体自旋电子学，是最近几年在凝聚态物理中发展起来的新学科分支，它研究在固体中自旋自由度的有效控制和操纵，在金属和半导体中的自旋极化、自旋动力学、自旋极化输运和自旋电子 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 等?，目的在于利用电子的自旋自由度代替传统的电荷作为信息的载体，从而实现新一代更高性能的电子元件和信息技术乜一,。自旋是电子的内禀自由度，是一种奇特的量子性质。在传统的微电子学中，一般是利用电子的荷电性由电场来控制电子的电荷输运过程，而对电子的自旋状态是不予考虑的。但随着电子器件小型化和高度集成化，半导体芯片的尺度限制和小尺度引起的焦尔能耗已成为大规模集成电路的两大难以克服的物理限制因素。现在人们普遍认为以传统的电子学为基础的硅工业正渐渐接近其能力的极限。为了进一步提高电子器件的性能，人们想到开发和利用电子的自旋自由度来处理、存贮和传输信息。电子自旋具有驰豫时间长，能耗小等优点，可以想见自旋自由度的加入，不但大大丰富了微电子学的研究内容，而且为大量新型高性能器件的诞生提供了新的源泉。正是因为如此，围绕电子自旋的控制、输运和测量的全新学科一自旋电子学这一研究领域应运而生，并很快成为凝聚态物理最有活力最受关注的领域之一。 ,(,(, 自旋极化 自旋电子学器件的实现在实验中首先需要解决的是如何在半导体材料中产生极化的自旋电子，因此寻找自旋电子注入源是非常重要的，其中铁磁金属是一个不错的选择。早在二十世纪三十年代，,,,,就提出了自旋极化的概念“,。他指出，在极低的温度下，铁磁金属中的磁振子散射几乎消失，平行和反平行于磁化方向的电子(分别称为多数和少数载流子)在散射过程中不混合，总的电导是这两种电子态的贡献之和。由于两种自旋态的电子数目不相等，所以电流是自旋极化的。随后,,,,,,,,和,,,,等人瞄一,提出二电流模型来解释自旋极化效应。 对于普通的非磁金属，电子的自旋态是简并的，所以不存在净磁矩，而费米面附近的电子态对于自旋向上和向下当然也是完全一样的，因而输运过程中电子流是自旋非极化的，即自旋向上和向下的电子的数量是相同的。然而，对于铁磁过渡金属来说，其,, 电子在费密面附近将具有非常大的态密度，由于,,电子的交换作用，自旋取向不同的,, 电子具有不同能量，,,能带分裂成两个子带，自旋向上的子带与自旋向下的子带发生相对位移。以上由于交换作用而使自旋向上的子带与自旋向下的子带发生相对位移的现象被称为“交换劈裂??。由于交换劈裂，自旋向上的子带(全部或绝大部分被电子占据)和自旋向下的子带(仅部分被电子占据)中占据电子总数之差正比于它的磁矩，费米面处 自旋向上和自旋向下,,电子的态密度相差很大，因而两种自旋态电子的散射几率、平均自由程和电阻率可有很大差别。所以，尽管在费米面处有少数受交换劈裂作用影响较小的,电子和,电子，但是传导电流仍是自旋极化的盯,。在电场的推动下，铁磁金属中的传导电子流必定不同于普通非磁金属，是部分自旋极化的。这就是铁磁金属中自旋极化的起源。 虽然铁磁金属的传导电子自旋极化的思想在, ,年代就有了，但直接的实验验证是,,,,年,,,;,,,,和,;,,,,阳,利用超导体的独特能级结构在“超导(么，),绝缘层 (彳乞,，),铁磁金属(,)”的隧道结中实现的。在该实验中，他们测量出给定磁场和不同电压下的隧道电流，发现穿越绝缘体的电流是自旋极化电子流，得出自旋极化电子流是通过铁磁金属产生的结论。从理论上来讲，磁场下“超导(彳，),绝缘层(彳，:？),铁磁金属(肺)??中的超导能隙边缘的尖锐的电子态密度峰发生分裂，使超导体在不同电位差下选择铁磁金属中不同自旋的电子参与输运过程，从而证实铁磁金属的输运电子是自旋极化的。为了表征该实验测量各种铁磁材料产生自旋极化电流的能力，人们定义了自旋极化率,，即: 肚篙端舄;脚， ?,(,，)，?,?，)、… ,?，其中?,(髟)和?工(,)分别表示在费米面附近自旋向上和自旋向下的电子态密度?此后，,;,,,,„,,用隧道谱法测量了凡、,,和,的自旋极化率，,,,,,,,等?分析多家实验结果，给出较为合理精确的实验测定结果，即对屁、;,和,而言，它们的自旋极化率分别为,,,,，,,,,和,,,。 ,(,,, 隧道巨磁电阻效应 在实验上，人们通过研究磁电阻效应来探测电流的自旋极化碡, ,,,,,,〕,在研究非磁金属,铁磁半导体,非磁金属夹层结构的实验中，发现电流一电压特性在外磁场的干扰下，,出现了自旋过滤。最初没有极化的电子经过铁磁体后，变成了自旋极化电流。就在,,,,,,,,和,,,,,,妇,利用“超导(彳,),绝缘层(,,,？),铁磁金属(,)”隧道结直接测量出铁、钴和镍等磁性金属在输运过程中的电子流是自旋极化的之后不久，,,,,年,,,,,,,,,列将隧道结中的超导体用另一铁磁金属层来取代，制备成了,,,,,,,,隧道结，并发现隧穿电导和两边铁磁电极中磁化强度的相对方向有关，即所谓的磁隧道结(,,,,,,,; ,,,,,, ,,,;,,,,,，,,,)效应。在早期自旋极化隧穿的实验结果的基础上，,,,,,,,,提出了一个关于,,，，，,,隧道结的简单模型，并用来解释其实验上观测的隧穿电导的相对变化。图,(,(,给出电子在铁磁和反铁磁排列时的电子输运示意图。该模型还沿用,,,,,,,,和,,,,,,阻,基于费米面处两电极的态密度来分析隧道电导的方法，假设电子在隧穿过程中保持其能量和自旋方向不变，不同自旋方向的隧穿电导与两铁磁电极中相应自旋方向的态密度成正比，得到,,,，,,,隧道结不加偏压(,?,)时的隧道电导如下: ,,,;【?,，,,(,，,(,?,，,】， (,(,。,) ,胛,;〔?,，,?,，„，?,。，?,，,】， (,(,?,)其中,，和,廿分别为两铁磁层的磁化矢量平行和反平行时的电导，,为常数，?(。(,)，(,，,分别为两个铁磁电极费米面处多数自旋态和少数自旋态(个，山)自旋电子的态密度。这样由两铁磁电极磁化强度的相对取向所引起的隧穿电导的相对变化为 一,,:—,,,—,,,:型笠， ,, 锦 ,，丑最? (,(,(,) (其中只和,分别为两铁磁金属中电子的自旋极化率。由于电阻的相对变化可转化为电导的相对变化，因而隧道磁电阻(,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,;,，,,,),,,值可表示为 ,,,:一,,:坠,生:一,,:型堕( 心, 也, ,尸 ,，只昱 (,(,(,)从 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 (,(,(,)可以看出，如果只和最不为零，则磁隧道结中存在磁电阻效应，且两个铁磁电极的自旋极化度越大，,,,值也越大。可见，,,,来源于自旋相关的隧道过程。,,,,,,,,的开创性工作对于后来的,,,研究产生了深远 影响，公式(,(,(,)被普遍应用于,,,的研究领域。从该公式出发，不仅可以通过测量铁磁材料的自旋极化度来得知,,,值，也可反推铁磁金属的自旋极化度。例如:当铁、钴和镍的自旋极化率分别取为,,,,、,,,和,,,时，利用(,(,(,)式可以得到,,,,,,,,所制备的,,,,,,,,隧道结的隧道磁电阻应为,,,。但,,,,,,,,的模型也存在某些缺点，如不能处理,,,与势垒高度、厚度、偏压和温度的关系。 (,) (,) ,( ,,,, , 跏 ?。 、，, ,‖ 力 叼 萝 ,? 箩(( ，，趣 ?;(,) ??(,)，，,(,) ?,倔) ?,(,) ,,,《,)?„(,) ??(,? 图,(,(,铁磁,绝缘体,铁磁三明治结构电子隧穿示意图。铁磁的磁化方向 (,)平行，(,)反平行 继,,,,,,,,研究磁隧道结的电导之后，,,,,;,,,,,,,钉于,,,,年对铁磁,金属,铁磁结构的电导做了理论分析，他认为对铁磁金属,绝缘体,铁磁金属(,,,，,,,)隧道结来说，如果两铁磁电极的磁化方向平行，一个电极中费米能级处的多数自旋态电子将进入另一个电极中费米能级处的多数自旋态的空态，同时，少数自旋态电子也从一个电极进入另一个电极的少数自旋态的空态，这时电阻较小，即磁化平行时，两个铁磁电极材料的能带中多数电子自旋相同，费米面附近可填充态之间具有最大匹配程度，因而具有最大隧道电流。如果两电极的磁化方向反平行，则一个电极中费米能级处的多数自旋态的自旋角动量与另一个电极费米能级处的少数自旋态的自旋角动量平行，这样，隧道电导过程中一个电极中费米能级处占据多数自旋态的电子必须在另一个电极中寻找少数自旋态的空态，因而其隧道电流变为最小。这样隧道电导与两电极磁化方向的相互取向有关，当两边铁磁金属的磁化方向由平行变为反平行时隧道电流有很大变化，这种隧道电导与铁磁电极磁化方向相关的现象称为自旋相关隧道效应(,,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,;,，,,,,)或磁隧道阀效应,引。以上这些关于三明治结构中电子隧穿的,,,理论和实验研究 ,?结果，引起了研究者们对铁磁,非铁磁异质结中电子输运的广泛关注和浓厚的兴趣,?,吼, ,,,,年，巴西学者,,,,,;,等人啪,在铁磁金属层与非铁磁金属层交替构成的人造薄膜材料(凡,,,超晶格)中发现了巨磁电阻(,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,)效应，该发现被认为是自旋电子学的开端。自此人们对磁性金属多层膜的巨磁电阻效应开展了广泛而深入的研究。巨磁电阻效应通常用一个无量纲的比值，即由磁致电阻,,,,,,,,(,) 彻,,,,,(,),訾，来表征，且 (,(,(,)其中,(,)和,(日)分别表示零磁场(,,,)和外加磁场日下的电阻。在,,,,,,,,:一明治结构的多层膜中，外磁场可以使相邻铁磁金属层之间的耦合由反铁磁耦合变成铁磁耦合，此时平行于电流方向的膜面的电阻率可以下降至不加外磁场时的一半，其磁致电阻高达,,,,，这比通常的各向异性磁电阻(,,,,,,,,,,; ,,,,,,,,,,,,,,,;,，,,,)值大得多，所以称为巨磁电阻。与,,,不同，,,,效应来源于铁磁金属,非铁磁金属界面和铁磁体内部的自旋相关散射过程。图,(,(,为,(,,温度下(,,,,,)。多层膜的磁电阻随磁场的变化曲线，其中(,, ,,,,,, ,,,),,等标注的含义是，厚度分别为,,,和,,,的(,,,,,)多层膜中包含了,,个(,,,,,)周期。 巨磁电阻效应的发现船,?冽是物理学中的一个全新效应和突破，激起了人们对自旋电子学的研究 兴趣乜一,一,。巨磁电阻效应基于自旋相关导电，电阻与传导电子的自旋方向有关。微弱磁场可引起纳米多层膜的电阻发生巨大变化，为人们获得与控制极化自旋流开拓了现实的可能。它被制成高灵敏磁场传感器，特别是超高密度硬盘磁记录中的高灵敏读出磁头，解决了关键性技术，可读出纳米尺寸磁记录单元的微弱磁场信号。从,,,,年至今，基于,,,和,,,效应的磁读出头产品及其硬磁盘已经被广泛地应用到网络服务器和台式计算机、手提电脑、数字照相机以及,,,、,,,等音乐播放器中，显著促进了计算机和信息技术的进步。近年来，,,,技术继续使硬盘的记录密度、容量和小型化程度不断提高，已经有,,亿只磁读出头被生产和投放市场，而且至今仍然被广泛使用; 另外，从,,,,年开始，由于,,,效应的进一步发展，人们制成了灵敏度更高的隧道结 磁电阻(,,,)磁读出头，并被投入市场，正在产生巨大的科技和社会经济效益。正是由 于以上原因，,,,,年诺贝尔物理学奖颁发给了法国的,,,,,, ,,,,及德国的,,,,, ,,,,,,,,,， 以表彰他们分别独立地发现了巨磁电阻效应。所以，直到最近，自旋相关导电机理、层 问交换耦合、隧道结磁电阻、庞磁电阻、磁性半导体和自旋注入的理论与实验研究，磁 性随机存储器和磁性逻辑元件以及其它新型应用的研究与开发，仍然是世界范围内的研 究热点。 ,,,,,,,; ,,,,,“„,， 图,(,(, ,(,,温度下(,,,,,)。多层膜磁电阻随磁场的变化关系 ,(,(,半导体异质结中的自旋一轨道耦合 自从,,,,,和,,,提出自旋场效应晶体管模型以来，电子的自旋一轨道耦合效应对 电子输运性质的影响就一直是大家非常关心的研究课题。自旋一轨道耦合，也称自旋一轨道相互作用，是自旋电子学中一个很重要的相互作用。自旋一轨道耦合的一个重要特点是将电子的自旋和电子的运动轨道耦合起来，所以利用自旋一轨道耦合，人们可以方便地用外电场或外电压来实现对自旋的控制和操纵。在通常情况下，自旋一轨道耦合很弱，可以忽略。但在一些半导体体系中，它却表现出很强的作用，而且它的耦合强度可.