稀磁半导体超晶格中的隧道磁电阻
隧道磁电阻(TMR)效应.
结果：
T
exp
2
x2
h
2mV Edx exp 2I
x1
简化： 位垒 与坐标无关，T exp 2 h 2mV0 E X 2 X1
（1）强入射、弱势垒 入射能量 E接近 V0、 绝缘层很窄 (X2-X1)→ 0。 那么，I → 0；T→1。 电子的穿透。
（2）弱入射、强势垒 反之。 那么，I → 很大；T→很小。电子受阻。
I exp A U0 D1 D2 D1 D2
（注意：数值大小是 D d d D ）
Julliere公式（2）
隧穿电流的大小 ? 问题：I > I ？ 这就是TMR效应
如果 D D d d D d D d 2D d
就有 D D d d 2D d 0
当然 D d 2 0
不同自旋极化状态 等效于
“附加的”空隙。
结束
简单代数运算，得到 Julliere的公式，
TMR 2P1 P2 1 P1 P2
Julliere公式（5）
“保守的”Julliere的公式
TMR I I I
TMR 2P1 P2 1 P1 P2
例子，如果，以Fe和Co 作为电极，
p1Fe 0.44 , P2 Co 0.34
Ch 3 隧道磁电阻（TMR）效应
本讲内容（2学时）重点：
1 隧穿现象和 隧道磁电阻（TMR）效应
2 Julliere公式
3 STM 和自旋极化的STM
隧穿现象
“M－I—M” 振荡波和衰减波
电子的穿透率 T J tran J in Vt t 2 Vi i 2 用 WBK 方法计算波函数
计算穿透率 T 自由电子情况
问题： 自旋极化的STM和Julliere公式 （隧穿电流与自旋相对取向有关）
第三讲自旋电子学课件
近似：电子与（热激发）自旋波散射可以忽略， （低于居里点） 只考虑电子与磁性离子自旋间的散射。 （s－d散射）
约定：与磁矩同方向的电子处于主要子带（majority）
相反方向自旋电子处于次要子带（minority）
两流体模型（2）
自旋相关散射(磁电阻效应)
FM(Ni-Fe)
S1
S2
(Al-O)
NM(Cu(001))
FM(Co(001))
上下自旋平行时电子容易通过--低电阻态 上下自旋反平行时电子被散射—高电阻态
Capping layer
Free layer
Tunnel barrier Reference layer Spacer layer Pinned layer Pinning layer
当然 D d 2 0 不等式成立
Julliere公式（3）
TMR 比率（放大的）
定义 TMR I I I
分子 ＝ D1 D1 D2 D2
分母 ＝ D1 D2 D1 D2
Julliere公式（4）
TMR的公式（用自旋极化率 表示）
第一个电极 p1 D1 D1 D1 D1 第二个电极 p2 D2 D2 D2 D2
TMR实验结果
韩秀峰等 （2000）
隧道磁电阻
隧道磁电阻效应的物理机制
Julliere公式（1）
隧穿电流 （近似!）I ∝ 指数衰减部分×状态密度部分
上左图 FM电极的磁矩彼此“平行”
I exp A U0 D1 D2 D1 D2
（注意：数值大小是 D D d d ）
上右图 FM电极的磁矩彼此“反平行”
隧道磁电阻效应中的两种不同的理论方法
首先报道在 铁磁体 绝缘体
铁磁体 结 构的 磁 性隧 道 结 Fe Ge Co 中 就发 现 了 TRM, 并给出了一个简单的计算 TMR 的公式 R = R AP - R P = 2 PP , R R AP 1+ PP
( 1)
. 1994 年, 在类钙钛
其中 R P 和 R AP 分别代表两铁磁层磁化方向平行和 反平行时的电阻, P 和 P 分别为两边铁磁层中传导 电子的自旋极化率 , P = ( N ( E F ) - N ( E F ) ) ( N ( E F ) + N ( E F ) ) , N ( E F ) 和 N ( E F ) 分别代表费 米面附近自旋向上和向下的电子密度 . 使用隧道哈 密顿方法可以得到 Julliere 的公式 . ( 1) 式与一些实 验符合得很好 , 后来的很多研究也是从此公式出发 或以此为基础发展出来的. 之后, Gu 等人
关键词: 隧道磁电阻, Slonczewski 模型 , 隧道哈密顿方法 , 势垒 PACC: 7210 Miyazaki 和 Tezuka 以及 Moodera 等人
[ 6] [ 7]
分别在 Fe
1 引
言
Al2 O3 Fe 和 CoFe Al2O3 Co 组成隧 道结中 获得了 较 高的 TMR. 由于研究表明 , TMR 与两边 铁磁层的自 旋极化率有关 , 于是两边的铁磁性金属被换成自旋 极化率更高的钙钛矿结构的物质如 La0 67 Sr0 33MnO3 , 因为锰氧化物具有几乎完全自旋极化的传导电子, TMR 大大增加 , Lu 等人 发现在由 La0 67 Sr0 33 MnO3 SrTiO3 La 0 67 Sr0 33 MnO3 组成的隧道结中, 在只有几十 个高斯的饱和外磁场下 , 磁电阻率高达 83% . 同时 对其颗粒膜也进行了研究 . 另外 , 铁磁 超导隧道 [ 10] 结中的 TMR 也是研究的一个热点 . 1975 年 , Julliere
隧道磁阻传感器原理(一)
隧道磁阻传感器原理(一)隧道磁阻传感器原理1. 介绍隧道磁阻传感器（Tunneling Magnetoresistance Sensor，简称TMR传感器）是一种常见的磁传感器，具有高灵敏度和低功耗的特点。
它的工作原理基于隧穿效应和磁阻变化。
2. 隧穿效应隧穿效应是指当两个绝缘材料之间存在一个很薄的隔离层时，电子可以通过隔离层的势垒穿越到另一侧。
这种现象在量子力学中被解释为波函数的干涉与隧穿现象。
3. 磁阻变化当电流通过隧道磁阻传感器时，隧穿效应会导致电阻的变化。
在没有外部磁场作用时，电子会以等概率分布在两个自旋方向上，使得电阻保持一个平均值。
4. 磁场作用当外部磁场作用于隧道磁阻传感器时，磁场会改变电子的自旋方向。
根据外加磁场方向的不同，电子的自旋可能与隧道层的自旋相同，也可能相反。
这些不同方向的自旋状态会导致电阻发生变化。
自旋与磁矩电子的自旋与磁矩之间存在一种关联。
具有自旋的电子也具有旋磁矩，这意味着它们可以被磁场影响并发生方向改变。
磁场作用下的电阻变化当外加磁场方向与隧道层的自旋方向一致时，电阻会减小。
相反，当外加磁场方向与隧道层的自旋方向相反时，电阻会增加。
这种磁场引起的电阻变化即称为隧道磁阻效应。
5. 原理图示--|---|---|--| | | |M1 | | | | M2| | | |--|---|---|--6. 应用领域TMR传感器在磁存储、汽车电子、生物医学和工业领域等有广泛的应用。
例如，在磁存储中，TMR传感器可以被用于读取硬盘上的数据。
在汽车电子中，TMR传感器可以检测车辆的转向和速度等信息。
7. 总结隧道磁阻传感器通过利用隧穿效应和磁场作用，实现了对外部磁场的灵敏检测。
它的高灵敏度和低功耗使得它在很多领域中得到广泛应用。
随着技术的发展，TMR传感器在未来可能会有更多令人期待的应用。
CH-1-5-磁电阻
• 磁阻的概念和分类 • 正常磁电阻效应 • 反常磁电阻效应
引子：2007诺贝尔物理奖
巨磁电阻磁 电 耦 合 效 应– GMR(含颗粒膜)
隧道磁电阻
庞磁电阻
– TMR
– CMR
§1-5-0 磁致电阻
0. 概念与分类
概念-磁阻效应: 外加磁场引起的电阻的变化 磁阻变化率:
Fe/Cr/Fe三层膜, 通过适当 厚 度Cr膜为中介,Fe层膜间发生 交换耦合作用,使Fe层薄膜从 FM向AFM发生Crossover
PRL 57(1986)2442
Many Patents, 夫人-
GMR关键的第一步-开拓性意义
中间非磁性层诱导 不同电流方向
铁磁层间反铁磁偶合
Fe/Cr/Fe 三层膜
AMR ~ 10 % NMR ~ 10 % ~ 0.1%
But：
0
AMR NMR 1
~ 1%
Mechanics?
0
0
5%
0
GMR 研究背景：
应用需求：
磁存储 VS 磁电存储
电信号测量：易测量、响应时间快 10-4% （0.01Tesla） 5%
But, 非磁性材料： MR： > 0, 磁性材料 ：MR: < 0,
(Stern-Gerlach)
电子的双重性: 电子的电荷 - 微电子学
电荷
电子的输运电场调制电子与空穴
自旋
20世纪物理学的伟大成就之一 信息革命
诱导出一门新的学科:自旋(磁)电子学(spintronics) - From Lord Kelvin to S-G to Fert
Stern and Gerlach Uhlewbeck & Goudsmit 人们从此发现： 自旋如此重要!!!
隧道磁电阻效应的物理原理
隧道磁电阻效应的物理原理隧道磁电阻（TMR）效应是一种特殊的磁电阻效应，它在隧穿结构中的两个磁性电极之间测量电流时观察到。
隧道磁电阻现象的发现和物理机制的解释对信息存储和传输领域具有重要意义。
隧道磁电阻效应的物理原理可以通过平行磁化的自旋极化电流通过两个磁性电极之间的绝缘材料而实现。
当两个磁电极的磁化方向相同时，电流可以通过绝缘材料，而当两个磁电极的磁化方向相反时，电流是隧穿的。
这种自旋极化电流随磁化方向的改变而改变，导致隧道磁电阻的变化。
隧道磁电阻效应的物理机制涉及到自旋极化和量子力学隧穿的原理。
自旋极化是指在磁场中自旋向上和向下的态分别具有不同的自旋密度。
在隧穿过程中，电子经过绝缘层，其自旋会沿着磁化方向来决定穿越壁的概率。
自旋向上的电子能够减小自旋向下的散射态，因此在磁化方向相同的情况下，电子更容易穿过绝缘层。
而当磁化方向相反时，电子更容易被散射，穿越壁的概率减小，从而导致电流的减小。
此外，该效应的物理机制还涉及到量子力学的隧穿效应。
隧穿是指粒子在经典力学下无法达到的能量大于势垒的区域，但在量子力学描述下，存在一定的概率穿越势垒。
绝缘层实际上形成了一个能垒，电子需要具有足够的能量才能穿过。
但是，由于磁电极的自旋极化导致了势垒的高度发生变化，因此穿越概率也发生改变。
这种自旋诱导的调控使得电流通过绝缘层的变化变得可能。
综上所述，隧道磁电阻效应的物理原理可以归结为两个方面。
首先，自旋极化使得磁化方向相同的电流更容易通过隧穿结构，而磁化方向相反的电流更容易被散射。
其次，量子力学的隧穿效应使得自旋调控下的隧道磁电阻变得可能。
这种物理原理的理解对于设计和优化隧道磁电阻器件具有重要意义，同时也为开发相关的应用提供了基础。
超晶格半导体材料的光磁电效应(Ⅰ)
超晶格半导体材料的光磁电效应(Ⅰ)
罗诗裕;邵明珠
【期刊名称】《半导体学报：英文版》
【年(卷),期】2005(26)9
【摘要】从Shockleyread统计出发,引入载流子寿命与浓度的相关性,描述了超晶格半导体载流子的输运特征,将载流子的输运方程化为二阶非线性方程,并用双参数摄动法找到了方程的一般解.在二阶近似下,计算了半导体材料的短路电流和光导电流,进一步揭示了大信号情况下光磁电效应的非线性特征.
【总页数】5页(P1744-1748)
【关键词】超晶格;半导体;光磁电效应;非线性
【作者】罗诗裕;邵明珠
【作者单位】东莞理工学院
【正文语种】中文
【中图分类】O472
【相关文献】
1.高组分稀磁半导体Cd1-xMnxTe/CdTe超晶格的光调制反射谱研究 [J],
2.半导体超晶格系统中的磁电调控电子自旋输运研究 [J], 王如志;袁瑞玚;宋雪梅;魏金生;严辉
3.半导体超晶格与微结构的发展模式浅析：纪念半导体超晶格与微结构？… [J], 彭英才;傅广生
4.稀磁半导体超晶格中的隧道磁电阻 [J], 马军
5.Ni/BiFeO3超晶格磁电效应的第一性原理计算 [J], 王凯;姜伟
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磁性材料及巨磁电阻效应简介.
磁性材料及巨磁电阻效应简介物理系隋淞印学号SC11002094引言磁性材料是应用广泛、品类繁多、与时俱进的一类功能材料, 人们对物质磁性的认识源远流长。
磁性材料的进展大致上分几个历史阶段:当人类进入铁器时代, 除表征生产力的进步外,还意味着金属磁性材料的开端，直到18世纪金属镍、钻相继被提炼成功, 这一漫长的历史时期是3d 过渡族金属磁性材料生产与原始应用的阶段; 20世纪初期(1900-1932, FeSi、FeNi 、FeCoNi 磁性合金人工制备成功,并广泛地应用于电力工业、电机工业等行业, 成为3d 过渡族金属磁性材料的鼎盛时期, 从此以后, 电与磁开始了不解之缘; 20世纪后期, 从50年代开始, 3d 过渡族的磁性氧化物(铁氧体逐步进入生产旺期, 由于铁氧体具有高电阻率, 高频损耗低, 从而为当时兴起的无线电、雷达等工业的发展提供了所必需的磁性材料, 标志着磁性材料进入到铁氧体的历史阶段; 1967年, SmCo 合金问世, 这是磁性材料进入稀土—3d 过渡族化合物领域的历史性开端。
1983年,高磁能积的钕铁硼(Nd—FeB 稀土永磁材料研制成功。
现已誉为当代永磁王。
TbFe 巨磁致收缩材料与稀土磁光材料的问世更丰富了稀土一3d 过渡族化合物磁性材料的内涵。
1972年的非晶磁性材料与1988年的纳米微晶材料的呈现, 更添磁性材料新风采。
1988年, 磁电阻效应的发现揭开了自旋电子学的序幕。
因此从20世纪后期延续至今, 磁性材料进入了前所未有的兴旺发达时期, 并融入到信息行业, 成为信息时代重要的基础性材料之一。
磁性材料的分类磁性材料应用十分广泛, 品种繁多, 存在以下多种分类方式。
按物理性质分类:(1按静磁特性:即根据静态磁滞回线上的参量,如矫顽力、剩磁等来确定磁性材料的类型。
例如:永磁属高矫顽力一类磁性材料; 软磁属低矫顽力的一类磁性材料; 矩磁属高剩磁、低矫顽力的一类磁性材料; 磁记录介质属于中等矫顽力, 同时, 具有高剩磁的一类磁性材料, 而磁头却要求低矫顽力、高饱和磁化强度。
磁性半导体_绝缘体_磁性半导体构成的隧道结的物理性质
1.2 隧道磁致电阻（TMR）效应
在前面所提到的磁致电阻效应最早是在 Fe/Cr/Fe 三明治结构或者这种磁性多 层膜结构中观察到的， 然而, 于 1975 年, M. Julliere[7]在 Phys. Lett 上的一篇文 章里首次报导了一种所谓的隧道磁致电阻效应, 在铁磁体/绝缘层/铁磁体中, 发 现在两铁磁体磁化方向平行和反平行时隧道结的电阻存在着差异, 并给出了如 下的磁致电阻公式：
La0.67 Sr0.33 MnO3 / SrTiO3 / La0.67 Sr0.33 MnO3 组成的隧道结中发现了高达 83%的
TMR, 而且在室温下, 也有较大的 TMR。隧道磁致电阻效应也有很好的应用前 景。 隧道巨磁电阻结比较容易制成电子器件, 所需的饱和外磁场较小(几十到几 百高斯), 有着较高的室温磁电阻值, 这些都使得它能很快地投入到应用之中, 在 IBM 等公司中, 由隧道磁电阻效应制作的感应磁头和磁存储器件等已经投入了 市场。 在 FM/I/FM 隧道结中, 隧道磁致电阻效应很强烈地取决于两铁磁层的磁化 方向的排列, 这与磁性多层膜中的巨磁电阻（GMR）效应在现象上有类似之处, 都是属于自旋极化电子输运过程, 但是两者的机制是不同的。巨磁电阻效应是源 于铁磁/非磁界面和铁磁体内部的自旋相关散射过程, 而隧道磁阻效应来自于自 旋相关的隧道过程。 在 GMR 的输运过程中, 由于 s 电子的有效质量要远小于 d 电子的有效质量, 所以 s 电子在总电流中占据了主要作用，而在隧穿过程中, 由 于隧穿主要在费米面附近发生, 而 d 电子在费米面附近的电子数要远大于 s 电子 在费米面附近的电子数, 所以 d 电子对于隧穿电导也起到了重要的贡献。
1
第一章
绪论
TMR
G 2 PP G 1 PP
稀磁半导体超晶格中的隧道磁电阻
用 相 干隧穿 模型来 讨论 隧道 磁 电阻 ， 其 在单 势 垒
多种 近似 方法被 用来 计 算 这 一类 的隧 道 磁 电 阻 ， 由
于此 类磁 隧道 结 中有 两 种 载 流 子 ： 轻空穴（ Ｌ Ｈ ｓ ） 和
～ － ～ ，
重 空穴 （ Ｈ Ｈ ｓ ） ， 因此 在 计算 隧道 磁 电阻 时要 同时考
虑这两 类 载 流 子 的贡 献 。此 外关 于 稀 磁 半 导
守恒 。
计 算平 行构 型 和反 平 行 构 型 的 电导 ， 将 以轻 空 穴载 流子 为例来 说 明 。先 考 虑 平 行构 型 ， 如 图 ２所 示 的最 小 周期 可 以分 为 三个 区域 ， 并 用 如下 哈密 顿
量来 描述 ， 引：
Ｉ、 Ⅲ 区域 （ １ ） Ⅱ 区域
磁半 导体 的平 行 排 列 （ Ｐ ） 构 型 和 反 平行 排 列 （ Ａ Ｐ ） 构型， 其 中 的虚 线 框 分 别 表示 Ｐ构 型 和 Ａ Ｐ构 型 时 的最小周 期结 构 。在 图 ２中 以最 小周 期 的中点 位坐 标原 点则 ， 图 中的 、 、 和 分 别 为 ： 一（ 口＋ｂ ） ／ ２ 、 一ａ ／ ２ 、 ａ ／ ２和 （ 。＋ｂ ） ／ ２ ； 类 似 的 在 图 ３中 的 、
第１ ３卷
第 ３期
２ ０ １ ３年 １ 月
科
学
技
术
与
工
程
Ｖｏ １ ． １ ３ Ｎ ｏ ຫໍສະໝຸດ ３ Ｊ ａ ｎ ．２ ０ １ ３
自旋电子学研究进展(磁学会议)
h
1
自旋
自旋
一、序言
四、半导体自旋电子
二、巨磁电阻GMR
五、MRAM研究进展
三、隧道磁电阻TMR h
2
一、序言
电荷 e1.60210x1019c
电子
电子
自旋 M s1.16530x1029W b/m
在半导体材料中有电子和空穴两种载流子，利用这两种 载流子的输运性质，1947年发明了晶体管，开创了信息时代。
MR(%)
CIP
CPP
1994年 Pratt和Levy 垂直多层膜的GMR(CPP)，比CIP高4倍的变化
Phys.Rev.Lett.66(1991)3060--------70(1993)3343
h
4
2
0
13
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400
H(Oe)
增加纳米氧化层的自旋阀
图中所示为样品的退火温度
28
2005.2 实验结果
室温：MR=220％ 4K：MR=300％
热稳定性可超过 4000C,有利于与 CMOS配合
用磁控濺射制备的MgO磁隧道(80x80m2)
TA=3700C TA=3800C
TA=3600C
MgO:立方晶体(100)织构； CoFe：b.c.c.(100)织
构；IrMn：f.c.c.(100)织构
h
三种样品的TMR与退火温度的关系，
这就是自h 旋极化的各向异性起因。
22
2001.1实验结果
MgO单晶势垒的磁隧道效应
w.wulfhekel Appl phys lett vol 78 509 (2001.1)
新型磁性隧道结材料及其隧穿磁电阻效应
（ 中 国 科 学 院 物 理 研 究 所 ，北 京 １ ０ ０ ０ ０ ０ ）
摘 要 ：典型 的磁性 隧道结是“ 三 明治 ” 结构 ，即由上下两个铁磁 电极以及 中间厚度 为 １ ｎ ｍ量 级的绝缘 势垒层构 成。 当外 加
磁场使两铁磁 电极的磁矩 由平行 态向反平行态 翻转 时 ，隧穿 电阻会发 生低电阻态 向高 电阻态的转变。 自从 １ ９ ９ ５年发现 室温隧 穿磁 电阻 （ Ｔ ＭＲ） 以来 ，非 晶势 垒的 Ａ Ｉ Ｏ 磁性隧道结在 磁性随机存储器 （ ＭＲＡ Ｍ） 和磁硬盘磁读 头（ Ｒ ｅ ａ ｄ Ｈ ｅ ａ ｄ ）中得 到了广泛 的 应用 ，２ ０ ０ ７年室温 下其 磁电阻 比值可 达到 ８ ０ ％ 。下一代 高速 、低功耗 、高性能 的 自旋电子学器件 的发 展 ，迫切需要更高 的室 温Ｔ ＭＲ比值和新型的调制结 构。２ ０ ０ １年通过第 一性 原理计算发现 ：由于 Ｍｇ Ｏ（ ０ ０ １ ） 势垒对不 同对称性 的 自旋极化 电子具有 自 旋过滤 （ Ｓ ｐ ｉ ｎ Ｆ ｉ ｌ ｔ ｅ ｒ ） 效应 ， 单 晶外 延的 Ｆ ｅ （ ０ ０ １ ） ／ Ｍｇ Ｏ（ ０ ０ １ ） ／ Ｆ ｅ （ ｏ ０ １ ） 磁 性隧道结的 Ｔ ＭＲ比值 可超过 １ ０ ０ ０ ％ ，随后 ２ ０ ０ ４年 在单 晶或 多晶的 Ｍｇ Ｏ磁性隧道结 中获得室温约 ２ ０ ０ ％的 Ｔ ＭＲ比值 ，２ ０ ０ ８年更是在赝 自旋 阀结构 ｃ ｏ Ｆ ｅ Ｂ ／ Ｍｇ ０ ／ ｃ ｏ Ｆ ｅ Ｂ磁性 隧道结 中 获得高达 ６ ０ ４ ％ 的室温 Ｔ ＭＲ比值。伴随着新 势垒材料的不断发 现和各 种磁性隧道结结构 的优化 ，共振 隧穿 和 自旋依 赖 的库仑 阻塞磁 电阻等新效 应以及磁性传感器 、磁性随机存储 器和 自旋纳米振荡 器及微波检 测器等 新器件 逐渐成为 科学和 工业界所关
铁磁-半导体-铁磁隧道结中的隧穿磁电阻
关键 词 ： 性 隧 道 结 ；隧 穿 磁 电导 ；隧 穿磁 电 阻 磁
中 图 分 类 号 ： ７ ． ０４ ２ ５ 文 献 标 识 码 ：Ａ
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｎｎ ｌｎ ａ ｎ ｔ ｓｓ ａ ｃ ｎ ｓ ａ ｃ ｆ Ｔｕ ｅ ｇ Ｍ ｇ ｅ ｏ Ｒｅ ｉｔ ｎ ｅ ｉ ｉ
摘 要 ： 对 由 １ 半 导 体 隔开 的 ２个 铁 磁 性 金 属 电极 构 成 的磁 性 隧 道结 ， 虑 中间 层 形 成 双 势 垒 ， 近 自由 针 个 考 在
电 子 模 型 的 基 础 上 ， 算 了零 偏 压 下 隧 穿磁 电 导 和 隧 穿 磁 电阻 ． 果表 明 ， 隧 道 结 的 隧 穿 磁 电阻 和 隧 穿 磁 电 计 结 该
第 ３ ６卷 第 ３期
２１ Ｏ Ｏ年 ９月
延边夫学学报（ 一然 科 学 版 ）
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＹａ ｂ ａ ｉｅ ｓｔ （ ｔ ｒ ｌ ｃｅ ｃ ） ｏ ｒ ａ ｎ ｉｎ Ｕｎ ｖ ｒ ｉ ｏ ｙ Ｎａ ｕ ａ Ｓ ｉｎ ｅ
Ｖｏ１ ６ ．３ ＮＯ． ３ Ｓｅ ２０１ ｐ． ０
目前 ， 关 在 隧 道 结 中 自旋 极 化 电 子 隧 穿 的理 论 主 要 有 零 偏 压 下 的 Ｊ ｌｅｅ隧 穿 概 率 理 论 ｎ Ｊ ｌｅ设 电子穿 越绝 缘体 时能 量和 自旋 方 向保持 不变 ， 隧穿概 率 只与 能量有关 ， 出 当偏压 很小 （ ≈ Ｏ 但 得 ） 时 ， 电阻 （ ＭＲ） ２ 铁 磁 电极 中的 电子在 费 米 面上 的 自旋 极 化 强 度 的乘 积 成正 比 ， 磁 Ｔ 与 个 因而 ２个 铁 磁 电极 的 自旋 极化 强度 越高 ， ＴＭＲ 也越 大 ． ０ ２年 ， ｇ ｅｙ ｎ分 析 了 Ｒ ｓ ｂ ２０ Ｅ ｕ ｓａ ａ ｈ ａ自旋 轨 道 耦 合 效应 与 散 粒 噪声 的关 系 ， 他发 现 可 以通 过 测量散 粒 噪声来 获 得 Ｒ ｓ ｂ 耦 合 系数 ， 为研 制 用 于信 息技 术 的量 子 器 ａｈ ａ 这 件 开辟 了新 的途径 ． ｉ ｎ１ Ｌ Ｙｕ ｜ 对铁 磁 （ Ｍ） 半 导体 （ Ｍ） 铁磁 （ Ｍ） 明治 隧道结 进 行研 究 ， Ｆ ／ Ｓ ／ Ｆ 三 把半 导 体 看 作是 方势 垒 ， 出 Ｔ 得 ＭＲ 与 磁 场 角 度 变 化 和 方 势 垒 高 度 的关 系 ； 张红 梅ｌ 对 铁 磁 （ Ｍ ） 半 导 体 也 ” Ｆ ／
隧道磁电阻(TMR)效应.
0
隧穿电流 J e N1 N2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
近似结果： 隧穿电流 ≈ 指数衰减部分×状态函数部分
其中，指数部分＝ F（势垒宽、高度，...） 状态部分＝ F（两个电极的性质,...）
几种隧穿现象
不同的“两电极性质”和“势垒、宽、高度” (近似!)
名称
势垒
1 隧道效应
绝缘体
2 隧道磁电阻效应
绝缘体
3 扫描隧道显微镜STM 真 空
数值大小是julliere公式2隧穿电流的大小这就是tmr效应如果就有当然julliere公式3tmr比率放大的分子julliere公式4tmr的公式用自旋极化率表示第一个电极第二个电极简单代数运算得到julliere的公式julliere公式5保守的julliere的公式例子如果以fe和co作为电极那么tmr比率026stm将mim结中绝缘体换成真空得stm
不同自旋极化状态 等效于
“附加的”空隙。
结束
隧穿电流（Simmons 公式，1963）
计入 Fermi－Dirac 统计
(1) → (2) 电子
N1 4m2
Ef
h3 T Vr 2
2m dEx f0
Er Ex
dEr
0
0
(2) → (1) 电子
N2
4m
2
Ef
h3 T Vr 2
2m
dEx
f0 Er
Ex
eV
dEr
0
简单代数运算，得到 Julliere的公式，
TMR 2P1 P2 1 P1 P2
Julliere公式（5）
“保守的”Julliere的公式
TMR I I I
TMR 2P1 P2 1 P1 P2
隧道磁阻技术(TMR)及其应用简介
隧道磁阻技术（TMR）及其应用简介（浙江巨磁智能技术有限公司Magtron段康靖）一、概述1、磁阻概念：材料的电阻会因外加磁场而增加或减少，电阻的变化量称为磁阻（Magnetoresistance）。
物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。
同霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。
从一般磁阻开始，磁阻发展经历了巨磁阻（GMR）、庞磁阻（CMR）、异向磁阻（AMR）、穿隧磁阻（TMR）、直冲磁阻（BMR）和异常磁阻（EMR）。
2、磁阻应用：磁阻效应广泛用于磁传感、磁力计、电子罗盘、位置和角度传感器、车辆探测、GPS导航、仪器仪表、磁存储(磁卡、硬盘)等领域。
磁阻器件由于灵敏度高、抗干扰能力强等优点在工业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿等领域得到广泛应用，如数字式罗盘、交通车辆检测、导航系统、伪钞检别、位置测量等。
3、穿隧磁阻效应（TMR）：穿隧磁阻效应是指在铁磁-绝缘体薄膜(约1纳米)-铁磁材料中，其穿隧电阻大小随两边铁磁材料相对方向变化的效应。
TMR效应由于具有磁电阻效应大、磁场灵敏度高等独特优势，从而展示出十分诱人的应用前景。
此效应更是磁性随机存取内存(magneticrandomaccessmemory,MRAM)与硬盘中的磁性读写头(readsensors)的科学基础。
二、穿隧磁阻效应（TMR）的物理简释从经典物理学观点看来，铁磁层（F1）+绝缘层（I）+铁磁层（F2）的三明治结构根本无法实现电子在磁层中的穿通，而量子力学却可以完美解释这一现象。
当两层铁磁层的磁化方向互相平行，多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，总的隧穿电流较大，此时器件为低阻状态；当两层的磁铁层的磁化方向反平行，情况则刚好相反，即多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，而少数自旋子带的电子也进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，此时隧穿电流较小，器件为高阻状态。
Ⅱ-Ⅵ族稀磁半导体多层结构中的自旋极化隧穿
ｐ
Ｐ４
（ Ｅ， ｚ ＋ ）
化 率 。Ｓｆ ｒａｅ ａ ａｚｄ ｈ等 研 究 了 Ｍ ｆ ｎ组 分 对 Ｚ Ｓ／ ｎ ｅ Ｚ Ｍｎ ｅ Ｚ Ｓ ｎ Ｓ／ ｎ ｅ异质结构 自旋 极化特性 影响 ， 他们 发
当前 ， 自旋 电子 学正 处 于快速 发展 阶段 ， 这个
交叉 学科 吸引 着 越 来 越 多 的 关 注 ¨ ， 的 目标 它
层器 件也 不适 合应 用在 光 电子器 件 中。这 就提示
应 当特别 重视 不含 有金 属 的其 它组 合材 料 中 的 自 旋极 化输 运性 质 的研究 。
最近 ， 大量工作表明， 采用稀磁半导体有望实 现 向半 导体 的高效 自旋 注 入 。随 之 ， 各种 稀 磁 半导体 异质 结 构 就 成 为 了研 究 热异质结构示 意图
Ｆｉ ．１ Ｓｃ ｅ ｔｃ ｉｌ ｔａ ｉｎ ｏ ｈｅ ｈ ｔｒ ｓｒ ｔ ｅ ｇ ｈ ｍａ ｉ ｌｕｓｒ ｔｏ ｆｔ ｅｅ ｏ ｔｕｃｕｒｓ
基金项 目： 国家 自然 科学 基金 （０ ４ ０ ５ １７ ４ １ ） １ ８７ ０ ，０ ０ ０ ０ ；内蒙古 自然科 学基金 （ ０ ８４ ４ Ｓ １１ ；国家 大学 生创 新 性实 验计 划 ２０ ０ ０ Ｍ ０ ０ ）
Ｐ Ｃ ８ ．５ Ｍｍ Ａ Ｓ： ５７ ． Ｐ ＣＣ： ２ ５ Ａ ７ ２ 文献标识码 ： Ａ
中 图 分 类 号 ：０ ７ ． ４１３
１ 引
言
究了ⅡⅥ族稀磁半导 体 的伏安 特性 ， 们观察 到 一 Ｊ他 了 明显 的负微 分 电阻效应 ； 而 ， 未 给 出 自旋 极 然 并
界 面处 晶格 失 配严 重 。 由此 可见 ， 有 金 属 的 多 含
２ 理 论 模 型
稀磁半导体
磁光效应的增强是 DMS材料的又一特性，光偏振面的角度变化（法拉第角）可以反映材料内部 d电子与 p及 s电子之间相互作用的相对强弱。
特性
负磁阻效应
交换作用
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
增强磁光效应
磁性离子掺入到半导体中替代部分阳离子的位置形成稀磁半导体，通过局域自旋磁矩和载流子之间存在强烈 的自旋-自旋交换作用，在外加电场或者磁场的影响下，会使载流子的行为发生改变，从而产生异于半导体基质的 特性。
稀磁半导体自旋-自旋交换相互作用是 DMS材料区别于非磁半导体材料的关键，也是形成各种磁极化子的主 要原因。在 DMS中，交换作用包括类 s导带电子和类 p价带电子同磁性离子的 d电子间的交换作用(sp-d交换作 用)和磁性离子的 d电子间的交换作用(d-d交换作用)。
离子注入法
稀磁半导体在对于DMS材料的研究中，各国科研人员采用离子注入方法来引入磁性离子。
前景
稀磁半导体兼具半导体和磁性材料的性质，使同时利用半导体中的电子电荷与电子自旋成为可能，为开辟半 导体技术新领域以及制备新型电子器件提供了条件。
尽管对于DMS材料应用的研究尚处于实验探索阶段，但已展示出其广阔的应用前景。如将 DMS材料用作磁性 金属与半导体的界面层，实现自旋极化的载流子向非磁性半导体中的注入，可用于自旋极化发光二极管的制造。
稀磁半导体
非磁性半导体中的部分原子被过渡金属 元素取代后形成的磁性半导体
Thue-Morse石墨烯超晶格中的自旋输运和隧穿磁电阻的开题报告
Thue-Morse石墨烯超晶格中的自旋输运和隧穿磁电阻的开题报告研究背景：石墨烯作为一种新兴的二维材料，在电学、光学、热学等领域具有重要的应用前景。
其中，石墨烯超晶格可以通过对石墨烯原子的排列方式来调节其电子结构和性质，从而为设计和实现新型纳米器件提供了可能。
Thue-Morse超晶格是一种特殊的超晶格结构，其具有自相似性和无周期性，可以产生一些奇特的电学和光学性质。
近年来，研究者们发现，在Thue-Morse超晶格中，电子的自旋输运和隧穿磁电阻也具有特殊的性质，这为探索这种超晶格材料的电学性质和应用提供了新思路。
研究内容：本项目将研究Thue-Morse石墨烯超晶格中的自旋输运和隧穿磁电阻现象。
具体研究内容包括以下几个方面：1. 基于密度泛函理论，研究Thue-Morse超晶格中的电子能带结构和自旋极化率，探究它们与超晶格结构的关系。
2. 利用自旋-极化的Boltzmann输运方程研究电子在Thue-Morse超晶格中的自旋输运现象，并探究其与输运方向、结构参数等的关系。
3. 研究Thue-Morse超晶格中的隧穿磁电阻现象，探究结构参数对隧穿磁电阻的影响，以及其在磁存储器件中的应用潜力。
预期成果：本研究将揭示Thue-Morse石墨烯超晶格中的自旋输运和隧穿磁电阻现象，为该类超晶格材料的电学性质及其应用提供新的研究思路。
预期成果包括以下几个方面：1. 研究得到Thue-Morse石墨烯超晶格中的电子能带结构和自旋极化率，探究其与超晶格结构的关系。
2. 分析和比较不同超晶格结构对自旋输运的影响，预测可能的实验效应。
3. 研究得到Thue-Morse超晶格中的隧穿磁电阻特性，分析结构参数对其影响，并探究其在磁存储器件中的应用潜力。
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。 此外关于稀磁半导 ， 现讨论稀磁半导体
体超晶格的研究也已经开始
［12 ］
超晶格中隧道磁电阻随势垒的个数和势垒强度的 稀磁半导体中的自旋极化 变化。最近的实验表明，
［3 ， 13 —17 ］ ， 其自旋相干长度超过 100 μm 因此将 输运，
2012 年 9 月 4 日收到 作者简介： 马 mail： majun@ live． com。 军。E-
［21 ］
。 而在各种磁隧道结中，
由稀磁半导体组成的磁隧道结成了理论和实验研 。 近来 有 报 导 指 出 在 温 度 为 8K 时，GaMnAs / AlAs / GaMnAs 隧道结中观察到的隧道磁电阻超过 70%
［7 ］
。 所以 GaMnAs 的能带可以
用图 1 来表示， 包括了自旋劈裂的轻空穴能带和重 分别为多数自旋重空穴 （ HH + ） 载流子能 空穴能带， 带、 少数自旋重空穴 （ HH － ） 载流子能带、 多数自旋 轻空 穴 （ LH + ） 载 流 子 能 带 和 少 数 自 旋 轻 空 穴 （ LH － ） 载流子能带。 本文的计算中将把轻空穴和 重空穴都考虑在内。
［22 ， 23 ］
图 3 所示。最左边和最右边是半无限大的 GaMnAs 中间 AlAs 和 GaMnAs 交替排列， 其中 AlAs 的厚度 GaMnAs 的厚度为 a。 图 2 和图 3 分别是指稀 为 b， 磁半导体的平行排列 （ P ） 构型和反平行排列 （ AP ） 构型， 其中的虚线框分别表示 P 构型和 AP 构型时 的最小周期结构。在图 2 中以最小周期的中点位坐 x2 、 x3 和 x4 分别为： － （ a + b ） / 标原点则， 图中的 x1 、 2、 － a /2、 a / 2 和 （ a + b ） / 2 ； 类似的在图 3 中的 x1 、 x2 、 x3 、 x4 、 x5 和 x6 分别为： － （ a + b ） 、 － （ a / 2 + b） 、 － a /2、 a /2 、 （ a / 2 + b ） 和（ a + b ） ， 从图 2 和图 3 中可以 看出如果反平行构型中有 n 个周期， 则平行构型中 有 2 n 个周期。所讨论的超晶格结构中所有的稀磁 半导体 （ GaMnAs ） 都 可 以 用 图 1 的 能 带 结 构 来 描 述。在相干隧穿模型中， 稀磁半导体超晶格的尺寸 可以认为在输运过程中自旋 要比自旋反转长度小， 是守恒的， 并忽略轻空穴向重空穴转变的过程。 因 此可以认为四种载流子的输运过程是彼此独立的 ， 并且在输运过程中要满足能量守恒和横向的动量
{
A1 e ik σx + B1 e －ik σx ， A2 e
H =
{
：
2
－
2 " + σΔ， 2 m1
2
Ⅰ、 Ⅲ 区域 （ 1）
2 － " + E F + U， Ⅱ 区域 2 m2
式（ 1 ） m1 是 GaMnAs 层中空穴的有效质量； m2 是 AlAs 层中空穴的有效质量； Δ 是自旋劈裂能的一半； U 是从费米能级算起的势垒高度。 自旋指标 σ 可 “+ ” ， “+ ” 以取 或者“ －” 和“ － ” 分别指多数自旋 载流子能带和少数载流子能带。假设有一个自旋 σ 的轻空穴载流子从超晶格的最左边入射 ， 则在上述 三个区域中的空穴波函数的纵向分量可以写为 ψ（ x） =
［20 ］
， 而类似于 GaMnAs 这类的稀磁半导体被认
为是用来制造自旋电子学器件的很有希望的材料 。 另外， 在磁隧道结（ MTJs） 中的隧道磁电阻 （ TMR ） 及 相关现象， 由于其对自旋电子学应用的重要性已经 被广泛研究了很多年 究的重点
［6 ］ ［4 ， 5 ］
。 当参入
Mn 离子后它提供了局域磁矩和更多的巡游空穴 ； 由于 Mn 离子的局域 d 轨道和介带的 p 轨道的杂化 导致的 GaMnAs 具有磁性和空 而来的交换互助用， 穴能带的自旋劈裂
自旋量子器件是当前凝聚态物理、 信息科学以 现在已 及新材料等诸多领域共同关注的热点之一 ， 经发展成为一个全新的领域自旋电子学 （ spintronic）
［1 —3 ］
用相干隧穿模型来讨论隧道磁电阻 ， 其在单势垒 和双势垒
［19 ］
［18 ］
问题中的讨论说明这种近似方法是可
行的。 GaMnAs 是由 GaAs 中参入 Mn 离子而形成 的， 大块的 GaAs 可以用 Luttinger 哈密顿量来描述， 相应的它有轻空穴能带和重空穴能带
第 13 卷 第 3 期 2013 年 1 月 1671 — 1815 （ 2013 ） 03-0554-05
科
学
技
术
与
工
程
Science Technology and Engineering
Vol. 13 No. 3 Jan． 2013 2013 Sci. Tech. Engrg.
物理学
稀磁半导体超晶格中的隧道磁电阻
图1
磁性半导体多载流子能带
3期
马
等： 稀磁半导体超晶格中的隧道磁型和公式
讨论的稀磁半导体超晶格的几何结构如图 2 和
守恒。 计算平行构型和反平行构型的电导， 将以轻空 如图 2 所 穴载流子为例来说明。 先考虑平行构型， 示的最小周期可以分为三个区域， 并用如下哈密顿 量来描述
。除了基于 GaMnAs 的单磁隧道结外， 基于
GaMnAs 的双磁隧道结也已经被制造和研究［8］。 有 由 多种近似方法被用来计算这一类的隧道磁电阻 ， 于此类磁隧道结中有两种载流子： 轻空穴 （ LHs ） 和 因此在计算隧道磁电阻时要同时考 重空穴（ HHs） ， 虑这两类载流子的贡献
［9 —11 ］
马 军
（ 中国药科大学理学院， 南京 210093 ）
摘
要
关于 GaMnAs / AlAs / GaMnAs 磁单结的隧道磁电阻有着广泛的研究， 利用转移矩阵的方法研究了稀磁半导体超晶格
并且共振峰会劈裂。 系统的隧道磁电阻随着势垒宽度的增减逐渐 中隧道磁电阻。数值模拟表明： 系统会发生共振隧穿， 减小。 关键词 稀磁半导体 隧道磁电阻 超晶格 A 自选电子学 中图法分类号 441. 6 ； 文献标志码