单分子磁体的自旋电子输运

单分子磁体的自旋电子输运
【摘要】：在分子自旋电子学领域,单分子磁体因其具有独特的大自旋和磁单轴各向异性,使其在信息存储和处理方面有潜在的应用价值,因此它的电子输运受到广泛关注。

在实验和理论的研究中,由于传输电子与分子之间存在自旋交换作用,一系列有趣的物理效应被发现,比如Berry相阻塞,分子磁体的磁化反转,热电效应诱导的纯自旋流等。

自旋极化输运是自旋电子学的核心问题,在本论文中,运用率方程方法,我们关注于单分子磁体耦合铁磁电极体系的自旋相关输运。

首先,研究了与两个铁磁电极连接的单分子磁体系统中的电荷流和自旋流,其中铁磁电极的磁化方向与分子磁体的易磁化轴是共线的。

在顺序隧穿和共隧穿区域,我们考虑了铁磁电极在平行和反平行构型以及传输电子自旋和分子局域大自旋为铁磁和反铁磁交换作用四种情形下的电子输运,其中包括电荷流,微分电导,自旋流和电流极化率。

在这个系统中,我们发现了一个新奇有趣的物理现象：在铁磁电极处于反平行构型并且电子和分子局域自旋是反铁磁交换作用的情形下,自旋流的方向在偏压的操控下可以反转,它不需要偏压的反向。

此特性可以用来设计一个偏压调控的自旋流反转电子器件。

其次,在顺序隧穿和共隧穿区域,研究了内在自旋弛豫对单分子磁体自旋极化输运特性的影响,重点讨论了对隧穿磁阻的影响。

我们发现隧穿磁阻在顺序隧穿区域内随着自旋弛豫的增强几乎消失；而在共隧穿区域内可以从一个很大的正值变为一个较小的负值。

当沿着单分子磁体的易磁化轴施加一个磁场时,
隧穿磁阻将关于正负偏压不对称。

在共隧穿区域,自旋弛豫对负偏压区域的隧穿磁阻影响较小；而在正偏压区域内隧穿磁阻可以从正值变到负值。

特别是,在顺序隧穿区域,很快的自旋弛豫过程可以使正偏压区域内的隧穿磁阻从正值变为一个比较大的负值。

此外,对于大偏压极限的情形,在负偏压区域的隧穿磁阻随着内禀自旋弛豫的增强将稍大于典型的顺序隧穿磁阻值,而隧穿磁阻在正偏压区域从正值变为负值。

然后,我们研究了由单分子磁体耦合一个铁磁电极和一个正常金属电极所组成的隧穿结的顺序隧穿输运,发现了典型的隧穿各向异性磁阻效应,它随着铁磁电极磁化方向与分子易磁化轴之间的夹角的改变而变化,从而可以在实验上来确定单分子磁体的易磁化轴的相对取向。

我们还发现偏压可以有效地调控隧穿各向异性磁阻值的大小和正负。

此性质可以用来设计基于分子磁体的单铁磁电极的自旋阀器件。

最后,在铁磁金属/单分子磁体/正常金属的隧穿结的自旋注入研究中,我们发现可以产生远大于铁磁电极极化率的自旋流,并且在偏压的控制下,自旋流的方向和大小都可以改变。

因此,基于单分子磁体,可以实现高效自旋注入和有效调控的自旋器件。

【关键词】：单分子磁体自旋流隧穿磁阻隧穿各向异性磁阻
【学位授予单位】：山西大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：O482.54
【目录】：中文摘要8-10ABSTRACT10-13第一章绪论13-291.1自旋电子学13-171.1.1自旋极化的铁磁金属13-141.1.2巨磁阻141.1.3隧穿磁阻14-151.1.4隧穿各向异性磁阻15-171.2量子点的自旋极化输运17-181.3单分子磁体的输运研究18-221.3.1实验进展19-211.3.2理论研究21-221.4本文概述22-24参考文献24-29第二章率方程方法29-392.1基于T-矩阵的广义费米黄金规则29-302.2分子量子点模型和隧穿跃迁率30-352.3率方程和稳态电流35-38参考文献38-39第三章单分子磁体耦合铁磁电极体系的自旋流及其极化反转39-533.1引言39-403.2理论模型和方法40-423.3数值结果和讨论42-493.3.1铁磁电极为平行构型43-473.3.2铁磁电极为反平行构型47-493.4结论49-50参考文献50-53第四章内在自旋弛豫对单分子磁体隧穿磁阻的影响53-674.1引言53-544.2理论模型和方法54-564.3数值结果和讨论56-644.4结论64-65参考文献65-67第五章单分子磁体结的隧穿各向异性磁阻67-775.1引言67-685.2理论模型和方法68-705.3数值结果和讨论70-745.4结论74-75参考文献75-77第六章基于单分子磁体的电压可调自旋注入77-876.1引言77-786.2理论模型和方法78-796.3数值结果和讨论79-846.4结论84-85参考文献85-87总结与展望87-89附录A稳态率方程的奇异值解法89-93参考文献92-93附录B单分子磁体的本征态及其隧穿跃迁矩阵元93-97参考文献95-97攻读博士学位期间发表的学术论文97-99致谢99-103 本论文购买请联系页眉。