介观体系中的电子自旋输运及隧穿磁阻效应

论文摘要

自旋相关的量子输运是自旋电子学中的重要研究内容。本文首先简单介绍了自旋电子学的兴起和发展,回顾了自旋电子在介观尺寸下的一些典型的输运特性,对隧穿磁电阻效应、Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合相互作用以及量子隧穿时间的一些定义等进行了简要描述。我们选取了具有重要应用价值和基础理论研究意义的半导体异质结结构(铁磁/半导体/铁磁异质结)以及介观AC环作为研究对象,采用一维波导理论的方法对其中的电子自旋极化输运现象和量子隧穿时间进行了较为细致的研究。(1)考虑界面势垒以及Rashba和Dresselhaus两种自旋轨道耦合同时存在时,研究了自旋极化电子通过铁磁体/半导体/铁磁体(F/S/F)异质结引起的自旋翻转和隧穿磁电阻效应。结果显示在一定的铁磁/半导体界面势垒高度时可以实现隧穿电子的自旋翻转,而且电子的透射几率随自旋轨道耦合强度的变化成现出单一的共振窄峰,Rashba项不仅可以导致更大的磁电阻而且可以使得通过改变两端铁磁体磁化方向的夹角实现磁电阻的正负转变,并使得磁电阻的绝对值关于θ=π不再对称。(2)比较研究了铁磁体/半导体/铁磁体异质结中存在和不存在自旋翻转时,自旋极化电子的隧穿时间。当异质结中内没有自旋翻转效应时,随着半导体长度的增加,自旋电子的隧穿时间并不是线性的增加,而是呈现了波状的增长过程。而当考虑自旋翻转效应时,自旋电子的隧穿时间随着半导体长度的变化会出现剧烈的振荡现象,而且会在某些区域出现下降趋势。(3)我们还研究了自旋极化电子通过两端连接铁磁电极的介观AC环的情况,发现可以通过调节电场的大小和方向来控制不同自旋电子的透射几率。在大的电场倾角情况下,隧穿磁电阻TMR随电场大小α的增大逐渐由正值变化为负值。而如果固定电场大小,隧穿磁电阻随着电场倾角x的变化可以出现正负值的交替变换且关于x=π是对称分布的。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 自旋电子学的兴起
• 1.2 隧穿磁电阻（TMR）
• 1.3 自旋轨道耦合相互作用（Spin-Orbit Interaction）
• 1.3.1 Rashba自旋轨道耦合
• 1.3.2 Dresselhaus自旋轨道耦合
• 1.4 量子隧穿时间
• 1.4.1 相位时间（phase time）
• 1.4.2 居留时间
• 1.5 本文的研究工作
• 第二章 半导体异质结中电子的自旋翻转及磁电阻效应
• 2.1 引言
• 2.2 模型和理论公式
• 2.3 计算结果与分析
• 2.4 结论
• 第三章 电子通过 F/S/F异质结的量子隧穿时间
• 3.1 引言
• 3.2 半导体中没有自旋翻转效应的情况
• 3.2.1 模型和理论公式
• 3.2.2 计算结果与分析
• 3.3 半导体中存在自旋翻转效应的情况
• 3.3.1 模型和理论公式
• 3.3.2 计算结果与分析
• 3.4 结论
• 第四章 电子通过介观 AC环的自旋极化输运及隧穿磁阻效应
• 4.1 引言
• 4.2 模型计算
• 4.3 数值分析
• 4.4 结论
• 第五章 总结
• 参考文献
• 研究生在读期间取得的研究成果
• 致谢
• 个人简介