隧道磁电阻

隧道磁电阻（TMR）效应1隧穿现象和隧道磁电阻（TMR）效应2Julliere公式3结晶MgO隧道结(新)隧穿现象“M－I－M”振荡波和衰减波电子的穿透率用WBK方法计算波函数22iittintranVVJJT计算穿透率T自由电子平面波情况结果：简化：位垒与坐标无关，（1）强入射、弱势垒入射能量E接近V0、绝缘层很窄(X2-X1)→0。那么，I→0；T→1。电子的穿透。（2）弱入射、强势垒反之。那么，I→很大；T→很小。电子受阻。IdxEVmhTxx2exp22exp2112022expXXEVmhT隧穿电流Simmons公式！（1963）应该计入Fermi－Dirac统计(1)→(2)电子(2)→(1)电子隧穿电流重要物理结论：隧穿电流≈指数衰减部分×状态函数部分其中，指数部分＝F（势垒宽、高度，...）状态部分＝F（两个电极的性质,...）EfrxrxrdEEEfdEmVThmN000232124EfrxrxrdEeVEEfdEmVThmN00023222421NNeJ几种隧穿现象的差别不同的“两电极性质”和“势垒、宽、高度”(物理含义!)名称势垒电极1隧道效应绝缘体简单金属－I－简单金属2隧道磁电阻效应绝缘体铁磁金属－I－铁磁金属3扫描隧道显微镜STM真空简单金属－V－待测样品4自旋极化STM真空铁磁金属－V－待测样品5.........隧穿磁电阻(TMR)效应“FM－I－FM”结发现MJulliere（1975）；再发现TMiyazaki（1995）Moodera（1995）GMRTMRTMR实验结果韩秀峰等（2000）TMR物理Julliere公式（1）隧穿电流（近似!）I∝指数衰减部分×状态密度部分上左图FM电极的磁矩彼此“平行”（注意：数值大小是）上右图FM电极的磁矩彼此“反平行”（注意：数值大小是）2121exp0DDDDUAIddDD2121exp0DDDDUAIDddDJulliere公式（2）比较“不同自旋态”隧穿电流的大小?问：？这就是TMR效应证明：（两个数自乘之和必大于互乘的2倍）假设就有当然不等式成立IIdDdDdDddDD202dDddDD02dDJulliere公式（3）TMR比率（放大的）定义分子＝分母＝IIITMR2211DDDD2121DDDDJulliere公式（4）TMR的公式（用自旋极化率表示）第一个电极第二个电极简单代数运算，就得到Julliere的公式，11111DDDDp22222DDDDp212112PPPPTMRJulliere公式（5）“保守的”Julliere的公式例子，如果，以Fe和Co作为电极，那么TMR比率＝0。26IIITMR212112PPPPTMR34.0,44.021CoPFepSTM将“M－I－M”结中绝缘体(I）换成“真空”，得STM。将Julliere“FM－I－FM”结中绝缘体（I）换成“真空”，得自旋极化的STM。结晶MgO隧道结2001年Butler、张晓光等理论预言：在完全结晶的磁隧道结Fe(100)/MgO(100)/Fe(100)中，磁电阻比率可以达到1000％。(注：按另一种定义磁电阻比率为91％)（PhysRevB63，054416（2001））Parkin等人报道实验值达到200％。（NatureMaterials3,862(2004)。•TaN(10)/IrMn(250)/Co84Fe16(8)/30Co70Fe30(3)/MgO(3.1)/Co84Fe16(15)/TaN(12.5)。单位为纳米。日本ShinjiYuasa等人报道类似结果。（NatureMaterials3,868(2004)•MgO绝缘层断面的高分辨电子显微镜相片。•具有清晰的（001）MgO层结晶取向。Fe(100)/MgO(100)/Fe(100)结晶隧道结界面的结构大的原子为Fe黑的原子为氧小的为Mg物理(受限于空间的对称性、能量、动量、自旋守恒)•铁的费米面多子能带的对称性与MgO能隙（100）方向的复能带相符其他在费米能级的能带对称性低于能带•少子能带高于费米能级1111将导致下列实验现象•两边电极自旋“平行”时，电子从多子带Fermi面到另一个多子带Fermi面，（在对称性为的能带中）电子流“很通畅”，即D•两边电极自旋“反平行”时，电子从多子带Fermi面到另一个少子带Fermi面，（因能量、对称性不合）电子流“极不通畅”，即d•结果是Dd。类似半（自旋）金属1非晶体隧道结？•在结晶MgO结中，Z－方向复数动量的虚部在点达到极小。接近动量守恒。•在非晶体Al2O3结，在Z－方向动量不守恒，从而衰减严重。谢谢！