磁性和非磁性隧道結(jié)及器件輸運(yùn)性質(zhì)的第一性原理研究.pdf

1、我們利用先進(jìn)的密度泛函結(jié)合非平衡格林函數(shù)技術(shù)研究了磁性和非磁性隧道結(jié)及器件的量子輸運(yùn)性質(zhì)。在Fe/MgO/Fe 磁性隧道結(jié)中，我們發(fā)現(xiàn)在費(fèi)米能級(jí)以上能量約為1.06 eV 處，在Fe/MgO 界面處自旋向下通道存在一個(gè)很大的界面態(tài)，這個(gè)界面態(tài)位于二維布里淵區(qū)的Γ點(diǎn)附近，因而具有很小的衰減系數(shù)，即使在較厚的MgO勢(shì)壘中(3 nm)，也能夠造成很大的透射，表現(xiàn)在透射譜上就是在能量1.06 eV 處自旋向下通道有一個(gè)透射峰，這造成了Fe/Mg

2、O/Fe 隧道結(jié)磁化反平行配置時(shí)自旋向下電子的I-V 曲線在偏壓為1.1 V 附近電流有一個(gè)突然的增大，這顯著降低了此時(shí)隧道結(jié)的磁電阻，我們認(rèn)為這可能也是實(shí)驗(yàn)中觀察到的Fe/MgO/Fe 磁性隧道結(jié)隨著電壓的增大磁電阻下降很快的原因之一。另外，MgO 勢(shì)壘相對(duì)于Fe 電極較低的勢(shì)壘高度（1.2 eV），造成了所有自旋通道的電流都隨著偏壓而迅速增大，這是磁電阻隨偏壓迅速減小的第二個(gè)原因。我們?cè)贔e/MgO 界面處增加了一層銀單原子層，發(fā)現(xiàn)

3、這可以顯著抑制自旋向下通道的透射，且抬高了MgO的勢(shì)壘高度，我們的計(jì)算表明Fe/Ag/MgO/Ag/Fe 隧道結(jié)在較高的偏壓下也能獲得很高的磁電阻效應(yīng)和大的輸出電壓。
　　 在全氧化物磁性隧道結(jié)La2=3Sr1=3MnO3/MgO/SrRuO3中，我們發(fā)現(xiàn)在兩鐵磁電極反平行磁化配置時(shí)，磁性隧道結(jié)展現(xiàn)了一個(gè)明顯的整流行為，在偏壓為0.5V 時(shí)13 層MgO 勢(shì)壘的隧道結(jié)中整流比率可達(dá)到100 左右，我們證明了這個(gè)行為來(lái)自于MgO

4、勢(shì)壘層的對(duì)稱性過(guò)濾性質(zhì)。在LSMO 電極的費(fèi)米能級(jí)上具有自旋向上的Δ1態(tài)，它在MgO 勢(shì)壘中具有最小的衰減系數(shù)，在鐵磁相SRO 電極上有一個(gè)自旋向上的Δ1 態(tài)和自旋向下的Δ5態(tài)，當(dāng)磁化反平行配置時(shí)，LSMO 電極中Δ1 態(tài)的電子很容易隧穿進(jìn)入SRO 電極，但SRO 電極中沒(méi)有自旋向下的Δ1 態(tài)，所以SRO 電極中電子隧穿幾率很小，因而反向電流很小，這就造成了一個(gè)整流行為。而在把MgO 勢(shì)壘換成8 層SrTiO3 勢(shì)壘的隧道結(jié)中，沒(méi)有表現(xiàn)

5、出整流行為。我們證明隧道整流效應(yīng)可以通過(guò)增加勢(shì)壘層的厚度來(lái)增強(qiáng)，并且La2=3Sr1=3MnO3/MgO/SrRuO3 磁隧道結(jié)可以通過(guò)磁化配置的改變來(lái)控制它的整流狀態(tài)。這個(gè)整流行為完全由量子隧穿過(guò)程統(tǒng)治，相較于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件，我們可望在未來(lái)設(shè)計(jì)出更快速的量子器件，例如隧道二極管和隧道晶體管。
　　 最后，我們提出了一個(gè)隧道二極管的模型，闡述了它的原理。在一個(gè)絕緣勢(shì)壘層夾在兩金屬電極之間的三明治結(jié)構(gòu)中，其中一個(gè)電極（發(fā)射極）在