稀土元素以及C N对铁钴基合金软磁材料微观结构和磁性能的影响 -(2)

GAP?C?N1,?N2,??N1,?N2,??

这样由两铁磁电极的磁化强度的相对取向所引起的隧穿电导的相对变化为

?GGP?GAP2P1P2??GPGP1?P1P2

其中

Pi?Ni,??Ni,?Ni,??Ni,?

为铁磁金属中电子的自旋极化率。由于电阻的相对变化可转化为电导的相对变化，因而零偏压下的TMR值为

?RRAP?RP?G2P1P2TMR????RAPRAPGP1?P1P2

从公式中可以看出，如果P1和P2不为零，则磁隧道结中存在磁电阻效应，且两个铁磁电极的自旋极化度越大，TMR值也越大。

Julliere的开创性工作对后来的TMR研究产生了深远影响，公式被普遍应用于TMR的研究领域。从Julliere公式出发，不仅可以测量铁磁材料的自旋极化度来得知TMR值，也可从公式出发反推铁磁材料的自旋极化度。但Julliere的模型不能处理TMR与势垒高度、厚度的关系。对于一些具体现象，如TMR与偏压和温度的关系也不能进行处理。

为了与后面的Slonczewski【3】结果进行比较，我们采用另～种磁电阻定义：

TMR??GGav，此处

Gav?GP?GAP2为平均电导，于是公式被改写为

TMR?2P1P2

Slonczewski的近自由电子模型：1989年Slonczewski发展了另一种计算零偏压TMR的方法。他使用自旋极化的近自由电子模型来描述两边的铁磁金属并假定自旋向上和自旋向下的电子是独立的且具有不同的波矢k↑和k↓，中间的绝缘层则用矩形（加电压时则变为梯形）势垒来模拟。考虑由两个铁磁电极（FM）夹一层非磁绝缘（半导体）（I）而构成的简单磁性隧道结。设界面均为平行的平面，以x记垂直这些平面的坐标，I的厚度为d；于是自旋向上的电子流产生的投射几率为

*TP??Im????d??dx

零温下隧穿电导由下式给出

G?eEFd2k???TP??TP??dE??EF?eV2??2??

在此基础上，Slonczewski给出了两带模型中隧穿电导随两铁磁层中磁化强度方向的夹角的依赖关系

22G?Gfbf1?Pfbcos???,Pfb?1??

式中

?k??k????2?k?k??Pfb??k??k????2?k?k??

平均电导由下式给出

??e??2?k?k??k??k????2?dGfbf???e2222?d?????k???k???

?????2?相应的TMR值为

TMR??G?2?P1A1??P2A2?Gfbf

式中P1、P2为铁磁金属的自旋极化度【4】

Pi??ki??ki??/?ki??ki??,?i?1,2?

而A1、A2为新出现的因子

Ai??2?ki?ki???ki?ki?2,?i?1,2?

和Julliere模型相比，Slonczewski模型进一步考虑了势垒的影响，认为方势垒的高度将严重影响铁磁金属和绝缘层界面处电子的自旋方向以及铁磁层的交换耦合，并且由它可讨论TMR随两个铁磁层磁化强度方向之间夹角的关系。 （2）几种不同结构隧道结的研究概况

磁性隧道结除了基本的铁磁/绝缘层/铁磁结（F/I/F）外，还有F/I/N/I/F双结、F/V（真空）/F、N/F/I/F等类型。为了获得磁性隧道结的磁性隧穿的完整图像，Jansen和Mofera在简单的F/I/F隧道结的绝缘层中间掺进磁性杂质和非磁性杂质，直接探测杂质对隧穿电子的的自旋极化输运的影响。

近年来，采用了一些新的材料代替传统的铁磁材料来制作磁性隧道结，其中包括在用一纳米碳管联接两铁磁层的隧道结中发现了TMR效应。特别是最近实验用磁性半导体作磁性层。最常见的磁性半导体如GaMnAs就是在普通的半导体GaAs中掺进Mn制成的，它兼有磁性体和半导体的特点，能够把信息处理和数据储存统一于一个材料中。此外，它的有效自旋极化率随磁场的变化而变化，实验上，已经用外延的方法成功地制作了GaMnAs/AlAs/GaMnAs隧道结，来研究电子半导体的电子自旋极化输运现象，获得的TMR高达75%。

在过去的几年里，人们把隧道结从FM／I／FM推广到半导体(SM)中，在实验上也做了大量的研究，观察到自旋从铁磁体到半导体的注入。近年来，从实验上和理

论上，人们也研究了含有超导的各种各样的隧道结，如铁磁/超导体，铁磁/超导体/铁磁，超导体/铁磁/超导体，其中的超道题有s波，d波，混合波s波+id波，甚至f波超导体。

在铁磁／超导体中，它具有邻近效应。一般情况下，影响邻近效应的重要因素必须考虑，一是粗糙度的影响；还有一个就是电子的关联影响。当考虑界面粗糙度时，平行于界面的动量已经不再守恒。目前已有两种方法对这个问题进行了处理。一种是准经典理论，把界面处的散射看作是一种随机过程；另一种是晶格模型理论，把界面问题放在实空间中进行处理，而且包括了电子之间的关联。最近Dong等人从格林函数出发得出了一个模型，认为界面应当看作为一个含有复数的势垒，其可以用如下的界面有效势来描述

??????x?U??x???Ui?iP?03????

式中U0是势垒，P描述了通过粗糙界面的散射效应。然而，对粗糙度的研究还有待于进一步发展。

铁磁／超导体／铁磁双隧道结的各方面的特点也得到了广泛的研究。例如，理论和实验上都证实了自旋不平衡能对超导起抑制作用。在一个包含超导体的三明治结构中，自旋极化的注入和自旋不平衡是可能的。如果给这双结的两端加上电压时，令左端和右端的电势分别为V／2和-V／2，在两铁磁层的磁化方向平行排列时，从左端进入超导体的自旋向上和向下的电子数和从右端离开超导体的自旋向上和向下的电子数分别是相等的，因此，不会在超导体内产生电子自旋的非平衡分布。而当两铁磁层的磁化方向反平行时，由于自旋向上的电子在左侧是多数载流子，而在右侧是少数载流子，因此，进入超导体的自旋向上的电子数将大于离开超导体的自旋向上的电子数，从而产生自旋积累效应【5】。类似地，进入超导体的自旋向下的电子数将少于离开超导体的自旋向下的电子数，这就是导致电子的化学势的移动。在平衡态下，移动的化学势为

???PeV/2

式中，P是铁磁金属的自旋极化度。化学势的移动导致超导体的电子对的破坏，从而抑制了超导体的电导率，这种抑制随电压的增大而增大。另外，Baladie等人从理论上得到，在这种三明治结构中，当超导层的厚度比超导的相干长度δs小得多时，它的临界温度由两铁磁层的磁化方向的夹角所控制。

最近以来，人们也研究了一些包含铁磁层的约瑟夫森结，发现了一些有趣的现象，其中的磁性层可以是磁性金属或者磁性绝缘体。在这种结中，铁磁超导体即铁磁性和超导性共存引起了人们的极大关注，它的超导Cooper对的两个电子的动量之和不再是零，而是一个有限值Q?2h/??F，因此会导致序参量在实空间被调制，

这里，是交换场的强度。这种情况早在60年代就被Fulde，Ferrel，Larkin和Ovchyinnikov(FFLO)预言和被讨论过，但是由于交换场的强度h??0/2时，超导态即被破坏，一直没有在实验上观察到这种现象，但是在铁磁／超导体中，由于邻近效应导致的Cooper【6】对和交换电子分别向对方的材料中渗透被认为有可能会导致铁磁超导态的存在。Bergert【7】等人的文章分别讨论了由这种铁磁／超导结所组成的双隧道结(SF／I／SF)。他们发现在两铁磁层的磁化方向平行时，超导电流被抑制，而在反平行时，超导电流可能被抑制，也可能被提高。

（3）磁性隧道结的研究意义

虽然磁性隧道结的制备工艺较为复杂，但磁性隧道结具有高的磁电阻比值及相似的翻转磁场，因而可以有很大的灵敏度，且有内阻高、功耗低、输出电压高等特点，具有很大的应用前景。磁随机存储器(MRAM)就是基于隧穿磁电阻，它采用磁滞回线来存储数据而使用磁阻特性来读取数据。它的基本原理与硬盘的记录原理相同，也是采用磁化的方向来记录0和 …… 此处隐藏：3619字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……