文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
磁性和非磁性隧道结及器件输运性质的第一性原理研究
姓名:程洪广
申请学位级别:博士
专业:材料物理与化学
指导教师:刘祖黎
2011-05-29
华中科技大学博士学位论文
摘要
我们利用先进的密度泛函结合非平衡格林函数技术研究了磁性和非磁性隧道结
及器件的量子输运性质。在 Fe/MgO/Fe 磁性隧道结中,我们发现在费米能级以上能
量约为 eV 处,在 Fe/MgO 界面处自旋向下通道存在一个很大的界面态,这个界
面态位于二维布里渊区的Γ点附近,因而具有很小的衰减系数,即使在较厚的 MgO
势垒中(3 nm),也能够造成很大的透射,表现在透射谱上就是在能量 eV 处自旋
向下通道有一个透射峰,这造成了 Fe/MgO/Fe 隧道结磁化反平行配置时自旋向下电
子的 I-V 曲线在偏压为 V 附近电流有一个突然的增大,这显著降低了此时隧道
结的磁电阻,我们认为这可能也是实验中观察到的 Fe/MgO/Fe 磁性隧道结随着电压
的增大磁电阻下降很快的原因之一。另外,MgO 势垒相对于 Fe 电极较低的势垒高
度( eV),造成了所有自旋通道的电流都随着偏压而迅速增大,这是磁电阻随偏
压迅速减小的第二个原因。我们在 Fe/MgO 界面处增加了一层银单原子层,发现这
可以显著抑制自旋向下通道的透射,且抬高了 MgO 的势垒高度,我们的计算表明
Fe/Ag/MgO/Ag/Fe 隧道结在较高的偏压下也能获得很高的磁电阻效应和大的输出电
压。
在全氧化物磁性隧道结 La2/3Sr1/3MnO3/MgO/SrRuO3 中,我们发现在两铁磁电
极反平行磁化配置时,磁性隧道结展现了一个明显的整流行为,在偏压为 V 时
13 层 MgO 势垒的隧道结中整流比率可达到 100 左右,我们证明了这个行为来自于
MgO 势垒层的对称性过滤性质。在 LSMO 电极的费米能级上具有自旋向上的∆1
态,它在 MgO 势垒中具有最小的衰减系数,在铁磁相 SRO 电极上有一个自旋向上
的∆1 态和自旋向下的∆5 态,当磁化反平行配置时,LSMO 电极中∆1 态的电子很
容易隧穿进入 SRO 电极,但 SRO 电极中没有自旋向下的∆1 态,所以 SRO 电极中
电子隧穿几率很小,因而反向电流很小,这就造成了一个整流行为。而在把 MgO 势
垒换成 8 层 SrTiO3 势垒的隧道结中,没有表现出整流行为。我们证明隧道整流效应
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可以通过增加势垒层的厚度来增强,并且 La2/3Sr1/3MnO3/MgO/SrRuO3 磁隧道结可
以通过磁化配置的改变来控制它的整流状态。这个整流行为完全由量子隧穿过程统
治,相较于传统的半导体器件,我们可望在未来设计出更快速的量子器件,例如隧
道二极管和隧道晶体管。
最后,我们提出了一个隧道二极管的模型,阐述了它的原理。在一个绝缘势垒
层夹在两金属电极之间的三明治结构中,其中一个电极(发射极)在费米能级上拥
有最小衰减态,它们相较于其它的态能较容易的通过势垒,而在另一个电极(接收
极)费米能级上则没有最小衰减态,而是在费米能级的上方拥有一个最小衰减能带,
它们能够接收来自发射极的最小衰减态,则这样一个隧道结将展现出整流效应。我
们具体研究了一个 Ag/MgO/SrRuO3 隧道结的例子,计算了其 I-V 曲线和整流比率,
器件展现出良好的整流性能,在很大的偏压范围都保持了很高的整流比率。计算结
果显示出这种隧道二极管是可行的。
关键词:自旋电子学,自旋极化输运,磁性隧道结,隧道磁电阻,整流效应,量子
器件,隧道二极管,第一性原理,非平衡态格林函数
II
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Abstract
We study the quantum transport properties of ic and ic tunnel junc-
tions and devices by first principles calculations based on the state-of-the-art density func-
tional bined with non-equilibrium Green’s function technique.
In Fe/MgO/Fe ic tunnel junction, our calculations show there exists a large
interface state at the energy about eV above the Fermi l