几类非共线磁序系统的磁化分布与电子输运研究

摘要

近几十年来，自旋电子学领域已经发生了巨大的变化，尤其是巨磁阻效应和自旋矩效应的发现和相关器件的实现之后。作为自旋电子器件的基本构成单元，铁磁体和反铁磁体是决定器件性能的一个重要因素。在铁磁体和反铁磁体中，磁化都是沿着同一条直线，因此可以认为是共线磁序。人们通过控制两个铁磁体的磁化是平行还是反平行，得到“开”和“关”两种状态。目前，巨磁阻效应，隧穿磁阻效应以及自旋矩效应均已进行广泛的实验或理论研究并认为具有广泛的应用前景。除了共线磁序之外，在一些情况下会出现非共线磁序，即磁性原子的磁矩并不沿着某一直线，这种非共线磁序带来了一些新的物理效应，如磁化阻挫等。尤其是在磁隧道结中，由于材料生长的原因，铁磁/绝缘体界面极易形成非共线磁序的过渡金属氧化物层，其电子输运性能还未进行深入的研究。为了揭示自旋电子输运中的非共线磁序效应，我们对几类非共线磁序系统，如石墨烯纳米带，石墨烯纳米带/氮化硼/石墨烯纳米带磁隧道结，MgO/NiO势垒构成的磁隧道结等，开展了密度泛函/非平衡格林函数计算，系统研究了磁化分布，透射系数，电流与隧穿磁阻等，研究了物理机理。 本文的主要研究内容如下： （1）第一章，阐述了自旋电子学的研究背景和历史，以及共线磁序与非共线磁序，并对这两类磁序下的电子输运研究领域做了简要介绍。 （2）第二章，介绍了已广泛应用于电子输运计算的密度泛函/非平衡格林函数方法，并简要地介绍了基于数值原子轨道的密度泛函方法以及哈密顿矩阵的构建方法，尤其是非共线磁序下带来的变化。采用该方法，我们也给出几种简单的例子，如金原子链、拓扑绝缘体薄膜与镍原子链在非共线磁序下的电子输运，对非共线磁序下的磁化分布与电子输运特征给出了简要的介绍。 （3）第三章，目前，石墨烯纳米带的电子输运计算大多是共线磁序下的计算，非共线磁序下的计算还不太多，如何理解非共线磁序对石墨烯纳米带的磁化分布和自旋电子输运性质的影响是一个有趣的物理问题。在这一章中，我们考虑左右电极磁化形成不同的偏转角的磁畴壁，通过固定左右电极的磁化方向来获得中心区的磁化分布，并计算了透射系数与偏转角之间的关系。我们的计算结果表明，磁化分布与初始磁化分布和中心区长度密切相关，而透射系数是否与偏转角有关主要取决于电子能量，这一结果可以从Chantis所建立的非共线磁序隧穿理论获得很好的解释。 （4）第四章，为了调制石墨烯纳米带的电子输运性能，设计石墨烯/氮化硼/石墨烯纳米带的磁隧道结来调控电子输运性能是一个可能的研究方向，而且这种异质结也在最近的实验中被合成出来。在这一章中，我们首先探讨了共线磁序下的磁化分布与电子输运行为，考虑不同的石墨烯/氮化硼的界面结构，获取了磁化分布与界面结构之间的关联特征，揭示了磁化分布背后的物理机理。另外，我们也计算了不同磁隧道结的电子输运性能，探讨了界面结构与势垒厚度对于电子输运的影响。除了上述共线磁序的结果，我们也开展了非共线磁序的计算，获得了中心区的磁化分布以及电流等物理量的特征。 （5）第五章，这一章的计算工作主要受到H.Yang等人的实验工作的启发，他们通过在Fe/MgO/Fe磁隧道结中插入NiO薄层形成Fe/MgO/NiO/Fe磁隧道结。结果表明：磁隧道结表现出不对称的特征，在负偏压区域出现负的隧穿磁阻。为了解释这一负隧穿磁阻的现象，我们研究了一系列磁隧道结，如Fe/MgO/Fe、Fe/NiO/Fe、Fe/MgO/NiO/Fe三类磁隧道结的透射系数、电流和TMR，系统探讨了不同厚度的磁隧道结的电子隧穿机制，着重探讨了两类效应，即自旋翻转效应和界面电子态对于隧穿磁阻的影响，结合实验结果分析了实验和理论存在差异的原因。 （6）第六章，对本文的研究工作进行了总结和展望。

目录

第一个书签之前