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《自旋轨道耦合对铁磁-半导体-绝缘体多层膜结构中隧穿性质的影响》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第31卷/第2期/河北师范大学学报/自然科学版/Vol.31No.22007年3月JOURNALOFHEBEINORMALUNIVERSITY/NaturalScienceEdition/Mar.2007自旋轨道耦合对铁磁/半导体/绝缘体多层膜结构中隧穿性质的影响王文军,何雷,王亚新(保定师范专科学校物理系,河北保定071000)摘要:利用传递矩阵方法,计算了自旋轨道耦合对铁磁/半导体/绝缘体多层膜结构中隧穿性质的影响.结果表明,当半导体和铁磁体之间是绝缘接触时,体系的输运性质发生明显改变,同时出现了
2、自旋反转效应.关键词:自旋轨道耦合;铁磁体;半导体;绝缘体;自旋反转中图分类号:O413文献标识码:A文章编号:10005854(2007)02019104[1]自从Datta开创性地提出铁磁/半导体/铁磁自旋场效应管后,已经有很多关于半导体异质结和铁磁金属中的电子自旋的研究.这种自旋极化场效应管的原理是通过控制外加电场来对晶体管中自旋轨道耦合(Rashba耦合)的强度,从而控制自旋电子的运动.而对Rashba耦合强度的调制已经在多种不同的半导体材料中得到验证.对于普通金属和半导体,自旋向上和
3、自旋向下的电子在数量上是相同的,所以传统的金属电子论往往忽略电子的自旋自由度,但是对于铁磁金属,情况则不同.在铁磁金属中,电子的能带分成2个子带,自旋向上子带和自旋向下子带.这2个子带形状几乎相同,只是在能量上有一个位移,这是由于铁磁金属中存在交换作用的结果.正是由于2个子带在能量上的差别,使得2个子带的占据情况不相同.在费米面处,自旋向下与自旋向上的电子的态密度也是不同的.这样在铁磁金属中,参与输运的2种取向的电子在数量上是不等的,所以传导电流是自旋极化的.同时由于2个子带在费米面处的电子态密度不同,不同自旋
4、取向的电子在铁磁金属中受到的散射也是不同的.因此,系统中如果存在铁磁金属,2种自旋取向电子的输运特性有着显著的差别.自旋电子学是以不同自旋取向电子作为研究对象,以不同自旋取向的电子的输运性质为主要研究内容,藉此开发设计新型电子器件的学科.早期已发表的大部分理论研究工作的模型都是铁磁体(F)/半导体(S)/铁磁体(F)三明治异质结结[2,3]构.本文中,笔者在F/S/F异质结结构的基础上,在半导体和铁磁体之间加一层非常薄的绝缘体(I),即在半导体和铁磁体之间形成绝缘接触势垒,构成F/S/I/F结构,这样在输运的过
5、程中,自旋电子在半导体层中运动时,与单一的半导体层相比,就会有散射,电子隧穿通过势垒,隧穿性质发生了一定的变化.1理论模型考虑在F/S/I/F异质结结构的自旋相关输运的情况.在这个结构中,铁磁体层是理想的.对于铁磁电极,在类似StonerWohlfarth的磁化模型中,电子能级发生分裂,自旋向上的电子与自旋向上的电子的能级差用一个交换劈裂能表示.在半导体区域内设为准一维波导形状,这就限制了电子在横向上运动,设该方向垂直与界面方向为x轴方向.因此,在半导体中,电子的运动在y方向上被一非对称量子阱加以限制,由2
6、*[4]此产生Rashba自旋轨道耦合效应.当W-h/RmS时,忽略子带间的偏差.设定在左面的F/S界面,坐标为x=0,在右面的S/I界面,坐标为x=lS.用Rashba哈密顿的一维对称形式,假设电子主要沿着x方向上运动,即垂直于界面的方向,在铁磁层[2]中,哈密顿的形式为收稿日期:20060707基金项目:河北省自然科学基金(A2005000147)作者简介:王文军(1969),男,河北保定人,讲师.#192#111H^F=p^x*p^x+z;(1)2mF2在半导体层中,111H^S=
7、p^x*p^x+z(p^xR+Rp^x)+!Eci;(2)2mS2-h而绝缘层中,11H^I=p^x*p^x+U.(3)2mI***其中:mF,mI,mS分别是电子在不同的区域内的有效质量;z是自旋泡利矩阵;是能级的自旋劈裂;R是自旋轨道耦合强度;!Ec是铁磁体和半导体之间的导带差.在两侧铁磁极中的能谱是2FF-hF21E(k)=*(k)+∀,(4)2mF2F其中:=,表示的是分裂能带结构自旋状态;∀,=!1.自旋量子化方向是沿着z轴正方向的;k是在铁磁层中的自旋态为的波矢.在半导
8、体能谱中,由于在波矢上有一线性的离散Rashba分裂,所以有2Ss-hS2SE(k)=*(k)+∀Rk+!Ec,(5)2mSSk是在半导体层中的自旋态为的波矢.绝缘体中的能谱为2II-hI2E(k)=*(k)+U.(6)2mI(1)~(3)所表示的哈密顿的形式,整个F/SMW/F结构中的本征态为
9、#∀=[∃(x),0],
10、#∀=[∃(x),0].这样,
