NMFINIFINM新型双自旋过滤隧道结的隧穿电导和隧穿磁电阻.pdf

NM/FI/NI/FI/NM 新型双自旋过滤隧道结的 隧穿电导和隧穿磁电阻∗ 1) 1) 1) 1)2) 朱林 陈卫东 谢征微 李伯臧 1) 四川师范大学物理系和固体物理研究所， 成都， 610066 2) 中国科学院物理研究所， 北京， 100080 摘 要：在 NM/FI/FI/NM 型双自旋过滤隧道结 （此处NM 为非磁金属层，FI 为铁磁绝缘体或 半导体层）的基础上，我们提出一种 NM/FI/NI/FI/NM 新型双自旋过滤隧道结 （此处NI 表示 非磁绝缘体或半导体层）。 插入 NI层的目的是为了避免原双自旋过滤隧道结中相邻 FI 层界 面处磁的耦合作用所导致的对隧穿磁电阻的不利影响。 在自由电子近似的基础上，利用转 移矩阵方法，对 NM/FI/NI/FI/NM 新型双自旋过滤隧道结的隧穿电导、隧穿磁电阻与 FI 层及 NI 层厚度的变化关系 以及随偏压的变化关系进行了理论研究。计算 结果表明，在 NM/FI/NI/FI/NM 新型双自旋过滤隧道结中仍可以得到很大的 TMR 值。 关键词：双自旋过滤隧道结；隧穿磁电阻； 非磁绝缘（半导）体间隔层 PACC: 7340G, 7570 1 引 言 近年来发现，一种由两层铁磁金属（FM ）电极夹一薄的非磁绝缘层（NI ） 所构成的磁性隧道结，即FM/NI/FM型磁性隧道结，因其具有较高的隧穿磁电阻 （TMR）和低的功率损耗，而在传感器和磁记录读写器等方面有重要的应用价值 [1，2]，故对这种磁性隧道结的研究引起了人们的极大关注。 FM/I/FM结的TMR主要与两个FM 电极中电子自旋极化度有关，但FM层的较 小的自旋极化度，限制了这些结的TMR[3，4] 。如果选择用自旋极化度较大的半金 属层代替FM层作电极的隧道结，虽可获得较大的TMR，但由于温度和一些复杂 的因素比如电荷排列无序和材料表面的一些影响，电极的半金属性会被破坏，于 是此类结在实际应用中会受到极大的限制[5]。最近铁磁绝缘体 （FI ）存在自旋过 滤效应并在自旋极化隧穿试验中被很好的证实[6]：在Al/EuS/Al 隧道结中，由于铁 磁绝缘体材料EuS 的自旋过滤效应，Moodera等获得了 85％的隧穿电流自旋极化 度。这是由于当一个FI层比如EuS被用作隧穿势垒时，其作用相当于一个自旋过 滤器 （Spin-Filter）,如果隧穿电子自旋磁矩与FI层的磁化强度方向一致，其产 生隧穿效应的可能性将比其他自旋方向的电子大得多，反之则小得多，从而产生 ∗ 教育部科学研究重点项目(批准号:. 高等学校博士点学科点专项科研基金（No.20020610050 ） 资助 1 大的自旋极化电流。由于FI 的自旋过滤效应，使得对用FI作势垒的单自旋过滤结 和双自旋过滤结的TMR的研究引起了人们的注意。利用双带模型和近自由电子近 似[7] [8] ，Li等研究了FM/FI/FM单自旋过滤结的隧穿电导和隧穿磁电阻 ，结果显示 隧穿电流的增大和减小在很大程度上与FM 电极和FI层中的磁化强度方向有关。 Worledge[9]、xie[10]等人在理论上预言在NM/FI/FI/NM型双自旋过滤隧道结中可得 到很大的TMR。 但对于NM/FI/FI/NM型双自旋过滤隧道结，由于两个不同矫顽力的FI层紧密 靠在一起，与FePt合金薄膜中近邻软磁相晶粒和硬磁相晶粒间有较强的铁磁交换 作用[11]类似，界面处两层FI 间的磁矩可能有很强的交换耦合作用，在实际应用中 这种作用会导致TMR的下降并影响双自旋过滤隧道结的灵敏度。在本文中，我们 对NM/FI/FI/NM型磁性隧道结作了改进