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摘要
磁性隧道结(MTJs)作为一种具有高电阻以及高集成度等特性的自旋电子器件,已被广泛
应用于信息存储等领域中。然而,在实际应用中,上述特性使得磁性隧道结易于产生“废热”,
进而影响器件性能。在自旋热电子学中,可以通过自旋、电荷、熵和能量传输来实现对“废
热”的再利用,进而发展“绿色”信息和通信技术。因此,磁性隧道结中的磁塞贝克(TMS)效
应逐渐引起了人们的关注。特别地,MgO基磁性隧道结的磁塞贝克效应得到了广泛的研究。
MgO基磁性隧道结与传统Al-O基磁性隧道结的本质区别是其势垒层由单晶薄膜制成,而单
晶势垒层的周期性会对磁性隧道结的磁塞贝克效应产生显著影响。在理论上,需要对该影响
加以研究。另一方面,在实验上,不同的加热方法会得到具有明显大小差异的塞贝克系数:
直接焦耳加热方法得到的本征塞贝克系数比其它方法得到的塞贝克系数小两至三个数量级。
这是因为其它方法会引起附加效应。因此,需要构建与本征塞贝克系数实验结果相符的理论
模型。基于上述两个原因,本文构建了一个基于光学衍射方法的单晶势垒层磁性隧道结理论
模型,并利用该理论模型研究了单晶势垒层磁性隧道结的磁塞贝克效应。主要的研究结果如
下:
1.本文研究了普通金属铁磁电极情形下,磁性隧道结的铁磁电极对单晶势垒层磁性隧道
结磁塞贝克效应的影响,重点研究了对塞贝克系数和TMS厚度效应的影响。研究结果表明:
单晶势垒层的周期性会使得隧穿电子波具有强相干性,进而导致塞贝克系数随势垒层厚度、
铁磁电极化学势和铁磁电极半交换劈裂能振荡。此外,塞贝克系数随势垒层厚度振荡的幅度
随半交换劈裂能单调递增,而随化学势单调递减;塞贝克系数随化学势和半交换劈裂能振荡
的周期随势垒层厚度单调递减。由于塞贝克系数具有振荡效应,所以在振荡曲线中可能存在
零点。相应地,在这些零点对应的位置上,TMS会出现一系列尖锐的峰。
2.本文研究了普通金属铁磁电极情形下,磁性隧道结的势垒层对塞贝克系数和TMS厚
度效应的影响。研究结果表明:塞贝克系数随势垒层厚度振荡的周期随势垒层周期势参数单
调减小;平行塞贝克系数的振荡幅度随势垒层周期势参数单调递增,而反平行塞贝克系数随
势垒层厚度振荡的幅度随势垒层周期势参数单调减小。塞贝克系数随势垒层周期势参数振荡
的周期随势垒层厚度单调递减,振荡幅度随势垒层厚度单调递增。
3.本文研究了半金属铁磁电极情形下,磁性隧道结的铁磁电极对塞贝克系数和TMS厚
度效应的影响。研究结果表明:与普通金属铁磁电极情形不同,由于铁磁电极的半金属性导
致反平行态透射系数的振荡项变为衰减项,即破坏了透射电子波的相干性,所以反平行塞贝
克系数不再具有振荡效应:它随化学势单调增加,随半交换劈裂能单调减小。平行塞贝克系
数与普通金属铁磁电极情形类似。
4.本文研究了半金属铁磁电极情形下,磁性隧道结的势垒层对塞贝克系数和TMS厚度
效应的影响。研究结果表明:与普通金属铁磁电极情形不同的是,反平行塞贝克系数随势垒
层厚度基本不变,随势垒层周期势单调递增。平行塞贝克系数与普通金属铁磁电极情形类似。
关键词:磁塞贝克效应,磁性隧道结,光学衍射方法,自旋电子器件,自旋热电子学
Abstract
Magnetictunneljunctions(MTJs),aspintronicdevicewithhighresistanceandhighintegration,
havebeenwidelyusedininformationstorageandotherfields.However,inpracticalapplications,
thesecharacteristicsmakemagnetictunneljunctionspronetowasteheat,whichaffectsdevice
performance.Inspin-thermoelectronics,wasteheatcanbereusedthroughspin,charge,entropyand
energytransfertodevelopgreeninformationandcommunicationtechnologi
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