隧道结中的自旋过滤效应

隧道结中的自旋过滤效应　

王建

（泰州职业技术学院教务处，江苏，泰州，225300）

摘要：介绍了近年来自旋电子学中广泛研究的三种典型的隧道结，对其自旋过滤效应的物理机制进行了分析归类，在此基础上，给出了影响其过滤效果的主要因素。

关键词：隧道结；自旋过滤；铁磁性；铁电性；多铁性

如何获得高自旋极化的电子流是自旋电子学（Spintronics）中的一个基本而重要的课题[1-3]。围绕这一课题，近年来国际上对多种方法进行了广泛研究。其中最直接的方法，就是使用所谓的半金属（half metals）材料作为自旋极化的发射源，因为半金属中的自发电子自旋极化率几乎为100%。此类材料包括掺杂锰氧化物，双钙钛矿锰氧化物，二氧化铬，氧化铁和Heussler合金[4]等。但是，这些半金属有两大缺点，一是他们的居里温度比较低，二是他们的电子自旋极化率随着温度的升高迅速下降，这些缺点极大限制了其在实际应用中的价值[1,4]。与此同时，研究人员也在不断研究另一种可以获得高自旋极化电子流的方法，这就是利用具有自旋过滤效应的隧道结[5]。由于该方法比使用半金属在材料的选用上提供了大得多的选择空间，因此，可望具有更好的实际应用前景。

自从隧道结中的自旋过滤概念于1988年首次提出以来[5]，研究人员对这一现象从实验和理论两方面进行了广泛的研究[6-12]，提出或制作成功了各种各样具有自旋过滤效应的隧道结。本文根据隧道结所用的势垒层材料，将此类隧道结分为三种类型：铁磁隧道结、铁电隧道结和多铁隧道结（其中包括单相多铁和复合多铁隧道结），对这三种隧道结中的自旋过滤效应的物理机制进行了分析，在此基础上，给出了影响其过滤效应的主要因素。

1. 铁磁隧道结

所谓铁磁隧道结，是指用铁磁性绝缘材料或半导体材料作为势垒层的隧道结，自旋过滤概念最初就是在对此类隧道结的研究中提出的。1988年，美国MIT的Moodera 研究小组研制成功了Au/EuS/Al隧道结[5]，由于两个电极Au和Al均为非磁性材料，因此电极中的电子不可能是自旋极化的。但是，实验中他们却从穿过隧道结的电子流

中探测到了自旋极化现象，由此推断，该自旋极化来自于铁磁性半导体EuS 势垒的自旋过滤效应。在进一步的研究中[5-11]，更多的铁磁材料，如EuSe 、EuO 、NiFe 2O 4等被用作隧道结的势垒层，并成功获得了自旋过滤效应。

对于铁磁隧道结中的自旋过滤现象，我们可以做这样的分析。由于势垒层具有铁磁性，在居里温度以下其导带发生交换劈裂，于是，对于自旋方向不同的隧穿电子来说其势垒高度也不同：自旋向上的电子遇到的势垒较低，而自旋向下的电子遇到的势垒则较高。由于电子隧穿几率与势垒高度呈指数衰减关系，因此，即使入射电子流的自旋极化率为零，穿过铁磁势垒后也会产生自旋极化。对于自旋极化率不为零的入射电子流，铁磁势垒的自旋过滤效应使得其自旋极化率可以得到有效提高。由于铁磁势垒具有这种自旋过滤效应，因此，铁磁隧道结的两个电极中只要有一个是铁磁性的，就可以产生磁电阻效应（而在非铁磁势垒隧道结中，要获得磁电阻效应，则两个电极都必须是铁磁性的）。如果其中的一个电极为半导体，则可以用作半导体的自旋注入，这又为解决半导体自旋注入[13-17]中的阻抗匹配问题提供了一条有效途径。

根据以上分析，铁磁隧道结的自旋过滤效应起源于铁磁势垒的高度是自旋相关的，我们可以用图1来描述铁磁隧道结的电势分布情况。显而易见，势垒的交换劈裂是影响自旋过滤效应的最主要因素。交换劈裂越大（表示势垒的磁性越强），则自旋过滤效应也越强。除此以外，势垒的高度和宽度等因素也将对过滤效应产生一定影响。我们以一个典型的铁磁隧道结Au/EuS/Au 为例，用传输矩阵法进行计算[18]，获得了该隧道结中自旋过滤效应α与势垒层的铁磁性（用半交换劈裂值B ∆表示）、势垒宽度d 和势垒高度B U 之间的关系，如图2所示（计算参数取自参考文献Ref.5）。图中的自旋过滤效应α定义如下（下同）：

G G G G α↑↓↑↓

−=+ （1） 其中，G ↑和G ↓分别代表自旋向上和向下通道的电导。

图1：铁磁隧道结电势分布示意图。其中M 为金属电极，FM 为铁磁势垒，E F 代表

费米能，虚线代表温度高于居里温度时的势垒。当温度低于居里温度时，虚线上方的水平线为自旋向下电子遇到的势垒，虚线下方的水平线为自旋向上电子遇到的势垒。

图2：隧道结Au/EuS/Au 的自旋过滤效应α与势垒层交换劈裂B ∆、势垒宽度d 和

势垒高度B U 之间的关系。

2. 铁电隧道结

近年来关于铁电材料的实验和理论研究都表明，当铁电膜的厚度减小到纳米尺寸时依然具有明显的铁电性[19-21]，这就为铁电隧道结的研究提供了可行性。这里所说的铁电隧道结，是指用铁电绝缘材料作为势垒层的隧道结[22-24]。

美国内布拉斯加大学的Zhuravlev 研究小组对以稀磁半导体（DMS ）为电极的铁电隧道结进行了研究[24]。他们发现，由于铁电势垒的自发极化，导致电极中靠近与势垒的界面处产生屏蔽电荷，这些屏蔽电荷又产生静电势，使得电极中的能带发生弯曲。图3描述了铁电隧道结中当势垒层的极化方向P 指向左侧稀磁半导体电极时的电势分布情况。可以发现，在公式（2）和（3）同时成立的情况下（其中L ϕ为左侧电极与势垒层界面处的屏蔽势能，L µ和L ∆分别为左侧电极的费米能和交换劈裂能），当电子穿越隧道结时，自旋向下的电子需要先穿越费米面以上虚线部分的附加势垒，然后再穿越铁电层的矩形势垒，而自旋向上的电子则直接穿越矩形势垒。这种情形相当于自旋

向下的电子穿越的有效势垒宽度大于自旋向上的电子，因而，自旋向上和向下两个通道的电子穿越隧道结时的隧穿几率也不一样，由此产生了自旋过滤效应。

L L L ϕµ>−∆ （2）

L L L ϕµ<+∆ （3）

我们发现，与铁磁隧道结中自旋过滤的物理机制有所不同，铁电隧道结中的自旋过滤是因为势垒层的有效宽度是自旋相关的。显然，铁电隧道结的自旋过滤效应的强弱与图3中虚线下方附加势垒的面积大小有关，也即与铁电势垒的极化强度和左侧电极的托马斯-费米屏蔽长度等参数有关。我们以一个典型的铁电隧道结DMS/FE/DMS 为例进行了计算，图4给出了该隧道结中自旋过滤效应α与铁电层的极化强度P 、势垒层介电常数B ε、电极的托马斯-费米屏蔽长度δ（假设两个电极完全相同：L R δδδ==）之间的关系（计算参数取自参考文献Ref.24）。

图3：铁电隧道结电势分布示意图。其中DMS 为稀磁半导体电极，FE 为铁电势垒，

E F 代表费米能，左侧电极中的虚线和实线分别代表自旋向下和向上电子的势能。

图4：隧道结DMS/FE/DMS 的自旋过滤效应α与势垒层电极化强度P 、势垒层介

电常数B ε和电极屏蔽长度δ之间的关系。

3. 多铁隧道结

多铁材料是指同时具有铁磁、铁电及铁弹中两者或两者以上特性的多功能材料