文档介绍：Al-Al2O3-Co 隧道结的光电性质研究
(理学院材料科学与工程系材料科学与工程专业欧阳华)
(学号:1999143214)
内容提要:采用真空镀膜方法制备界面平滑和随机粗糙的 Al-Al2O3-Au 隧道结。在室
温和液氮(77K)温度下分别对淀积在玻璃基片和 1000 Å CaF2 上的隧道结 I-V 特性进行了
测量,并用计算的 I-V 特性曲线与实验 I-V 值拟合得出结的有效梯形势垒参数,分析了界面
粗糙对势垒参数的影响。通过分析 Co 的介电常数、Co 的体积损失函数、结界面的等离极
化激元色散曲线,对结预期的发光机理进行了讨论。
关键词:隧道结随机粗糙度等离极化激元发光机理
教师点评:近年来,巨磁电阻效应磁隧道结成为凝聚态物理的一个研究热点,本论文所
述的研究内容正是以铁磁金属 Co 为上电极的隧道结的光电特性。本项研究所取得的成果有:
用真空电阻加热法制成高熔点金属 Co 构成的 Al-Al2O3-Co 隧道结,分别测量了以光滑玻片和
粗糙 CaF2 为衬底时结的 I-V 特性;拟合实验 I-V 特性求出了等效梯形势垒的参数,对两者
的差异给出了解释。另一方面,由于迄今尚无 Al-Al2O3-Co 隧道结发光的研究报道,本研究
还计算了 Co 的复介电常数和结界面等离极化激元元曲线,从理论预期结能发光,并从 Co
的体积损失函数和界面粗糙度的选择对发光机理进行了讨论。(点评教师:舒启清职称:教
授)
一、导言
1. 1 隧道结发光研究意义
1976 年 Lambe 和 McCharthy 把 Al-Al2O3-Au(或 Ag)制作在表面粗糙的 CaF2 薄膜上, 在
加偏压下结表面均匀地发射可见光[1]。由于这种金属膜-氧化层-金属膜结构为平面薄膜结
构,工艺简单,工艺电压低,发光颜色可变,其潜在的物理性能,可望开发出系列新型光电
器件,在光纤短距离通信,集成光学及显示技术中得到应用,引起许多学者们的广泛兴趣。
从发现隧道结发光以来,经过无数的探索和研究,结的发光效率距离实用水平还有一段距离。
现有的结型的发光效率都没有超过 10-4,基于这样的情况,后来又有人观测了 Al-Al2O3-Cu
结的发光[1],但至今还没有观测过 Al-Al2O3-铁磁金属隧道结的发光。
1. 2 研究的内容
本文选取了铁磁金属 Co 作为隧道结的上电极,采用真空镀膜方法制备界面平滑和随机
粗糙的 Al-Al2O3-Co 隧道结。在室温和液氮温度下对结的伏安特性和结发光性能进行测量,
并通过计算机对所得到的数据进行拟合,以此来分析和研究该隧道结在常温和低温下的电学
性质以及光学性质。由于拒我们所知,迄今还没有关于 Al-Al2O3-Co 隧道结发光的研究报
道,因此本文从电极层、界面粗糙度和 Co 膜的体积损失函数等几方面,对 Al-Al2O3-Co 隧
道结预期的发光机理进行讨论。
1. 3 电子隧穿原理[3]
量子力学的隧穿是指当电子或其他微观粒子(例如质子和中子)从势垒的一边入射时即
使它们不是具有足够的动能从势垒顶部翻过势垒,它们仍然能够在势垒的另一边出现,这种
现象称之为微观粒子隧道贯穿通过势垒或隧穿势垒。
微观粒子隧穿势垒是粒子波动性的一种表现,根据量子力学的基本原理,表示微观粒子
状态的波函数将延展到整个空间,它们在那些势能有限不连续点处也是光滑连续的。因此,
虽然粒子的动能小于势垒的高度,它们仍然可以出现在按照经典力学是禁戒的势垒区域内并
1
穿过势垒区,于是隧穿势垒现象就发生了,同时隧穿过程遵从能量守恒和动量(或准动量)
守恒定律。
1. 4 金属-绝缘层-金属隧道结势垒模型
金属-绝缘层-金属(metal-insulator-metal,MIM)结的两个电极均是金属。隧穿电流表示为:
−
2eρ EEfleV fl
J (V ) = t [eV T ( E ,V )dE + T ( E ,V )( E − E )dE ]
x x x fl x x
h ∫∫0 E fl − eV
()
计算隧穿电流归结为对绝缘势垒层模型化后计算隧穿系数T(Ex ,V ) 。绝缘势垒层可模型化
为矩形势垒或梯形势垒。模型化矩形势垒的高度可以通过对任意势垒U (x) 求平均得到,即
1 x2
U = U (x)dx ()
d ∫x1
其中 d 是两个典型的势垒转折点间的距离。势垒的平均值也可以用来决定模型化梯形势垒的
= Φ+ Φ
具体形状 U 1 2 ()
在得到模型化势垒后通常采用 WKB 近似计算隧穿系数