Квантовая теория туннельного и гигантского магнитосопротивления в магнитных многослойных структурах

• Автор: Багрец, Дмитрий Александрович
• Шифр специальности: 01.04.11
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 152 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Литературный обзор
1.1. Спин-зависящее туннелирование в мультислойных наноструктурах
1.1.1. Эксперименты по туннелированию из ферромагнитных металлов в сверхпроводники
1.1.2. Прогресс в технологии изготовления туннельных наноструктур
1.1.3. Теоретические работы по туннельному магнитосоп-ротивлению
1.2. Спин-зависящий транспорт в наноструктурах со сверхпроводящими контактами
Глава 2. Двухзонная в — сі модель туннельного магнитосоп-
ротивления
2.1. Гамильтониан модели
2.2. Вычисление проводимости системы
2.3. Приближение когерентного потенциала
2.4. Вычисление "вершинной" поправки
2.4. Обсуждение результатов
Глава 3. Резонансное спин-зависящее туннелирование через
парамагнитные примеси в барьере
3.1. Теоретическая модель
3.2. Проводимость системы
3.3. Резонансное туннелирование в случае немагнитных примесей
3.4. Резонансное туннелирование в случае парамагнитных примесей
3.5. Вольт-амперная характеристика и дифференциальная проводимость
3.6. Обсуждение результатов

Глава 4. ГМС в системах со сверхпроводящими контактами
4.1. Теоретическая модель
4.2. Баллистический режим
4.3. Диффузный режим
Заключение
Приложение 1. Тождество Уорда
Приложение 2. Гриновские функции и проводимость для модифицированного потенциала в, состояний
Приложение 3. Расчет резонансной проводимости за счет
парамагнитных примесей в барьере
Приложение 4. Аналитические выражения проводимостей для различных каналов рассеяния на парамагнитной примеси
Список литературы

Введение
Эффект туннельного магнитосопротивления (ТМС) наблюдается в магнитных туннельных наноструктурах, в которых ферромагнитные металлические слои разделены слоем диэлектрика порядка нескольких десятков нанометров, а также в туннельных гранулированных системах, где разделяющий слой представляет диэлектрическую матрицу с распределенными в ней ферромагнитными гранулами. Родственный ТМС эффект гигантского магнитосопротивления (ГМС) проявляется в металлических мультислойных наноструктурах и сверхрешетках, в которых чередуются ферромагнитные и немагнитные слои. Наиболее общей чертой упомянутых структур является тот факт, что ферро - или антифер-ромагнитный порядок оказывает существенное влияние на электронные транспортные свойства в этих системах и приводит к эффекту спиновой поляризации электрического тока. В результате этого, сопротивление структуры зависит от параллельной или антипараллельной конфигурации намагниченностей ферромагнитных слоев, которая может изменяется под воздействием внешнего магнитного поля.
Актуальность исследования спин-поляризованного электронного транспорта в этих гетероструктурах имеет одновременно прикладной и фундаментальный аспекты. Первый из них связан с широкими перспективами использования наноструктур с ГМС и ТМС в качестве наноэлементов спиновой электроники в MRAM (Magnetic Random Access Memory) компьютерных технологиях. Другую область применения составляют одноэлектронные и спин-вентильные транзисторы, а также датчики слабого магнитного поля. С фундаментальной точки зрения, можно выделить следующие аспекты, которые представляют самостоятельный научный интерес.
1. Использование сверхпроводящих контактов в экспериментах по измерению ГМС в поперечной геометрии соотносится с общей проблемой эффектов близости в гибридных структурах ферромагнетик / сверхпроводник и их влияния на электронные транспортные свойства.
2. Особенность вольт-амперной зависимости тока при низких напряжениях в туннельных наноконтактах связана с возбуждением коллектив-

ноструктуре с двумя диэлектрическими слоями вида ¥М/1/¥М/1/¥М (здесь РМ — ферромагнитный метал, I — изолятор или полупроводник) и было введено понятие "спин-зависящие резонансное туннелирование". Вычисления проводились в рамках простой двухзонной модели [24] с помощью метода трансфер-матриц. В системе с двумя туннельными барьерами коэффициент прозрачности имел немотонную зависимость от напряжения с характерными резонансными пиками, при этом их положение на шкале энергии зависело от конфигурации намагниченностей ферромагнитных слоев. В результате, зависимость магнитосопротивления от напряжения также имела резонансный характер и ТМС могло достигать 90%.
Предсказанное увеличение амплитуды ТМС, однако, до сих пор не было подтверждено экспериментально. В работе А. Ферта и др. [69] были приготовлены структуры Со/АОз/ШРе и Со/АОз/Со/АЬОз/ГФРе, в которых туннельные барьеры были получены радиочастотным плазменным окислением из затравочных слоев А1 толщиной 15 А. Структуры как с одним, так и с двумя барьерами имели магнитосопротивление около 10% при Т = 300 К и 20% при Т = 30 К. В то же время зависимость магнитосопротивления от напряжения имела более нетривиальный характер, чем просто последовательное включение в цепь двух независимых туннельных контактов. Для одиночного барьера амплитуда ТМС падала вдвое при \/2 = 0.26 V от своего максимального значения при V = 0, а для структур с двумя барьерами 1ф/2 = 0.8 V, т.е. падение эффекта с увеличением напряжения было гораздо меньше чем это можно было бы ожидать.
В последующих работах Ведяеваи др. [70, 71] было теоретически предсказано, что магнитосопротивление в наноконактах с тремя туннельными барьерами может гораздо сильнее возрастать в сравнении с бинарной наноструктурой. Тройные туннельные наноконтакты не были реализованы практически до настоящего времени, и поэтому это предсказание пока не подтвердилось. Однако аналоги таких структур демонстрируют очень слабую зависимость магнитосопротивления от приложенного напряжения. Практически, этот новый класс систем получается внедрением слоя ферромагнитных гранул в туннельный барьер [72, 73] или прямым пере-