Введение к работе
Актуальность темы Прорыв в области нанотехнологий, произошедший в последнее время, а также все возрастающие требования к плотности записи информации послужили импульсом для развития новой области физики твердого тела - спинтроники. Особенность этой области обычной электроники заключается в том, что спин электрона наряду с его зарядом представляет собой активный элемент как для хранения, так и для записи информации. Основой для создания новых элементов спинтроники являются два эффекта - эффект гигантского магнитосопро-тивления (ГМС) и туннельного магнитосопротивления (ТМС), наблюдающиеся в слоистых структурах, в которых магнитные слои (Те, Со, Ni и др.) разделены немагнитными металлическим или диэлектрическими слоями (напр. Си, Сг или А1203). Как показали многочисленные исследования последних лет, ток, пропускаемый через такие структуры, поляризован по спину, что связано как с обменным расщеплением подзон с различной ориентацией спина, так и со спин-зависящим рассеянием. Однако в понимании физической природы как ГМС, так и ТМС остается еще много невыясненных вопросов. В частности, в настоящее время большое внимание уделяется изучению новых магниторезистивных туннельных контактов в связи с задачей неразрушающейся, не стираемой, стойкой к радиационному воздействию оперативной памяти (MRAM-magnetic random access memory), которая сможет заменить традиционную память на полупроводниках. Основное требование к таким контактам - правильный баланс между достаточно большой величиной тока и туннельным сопротивлением, обеспечивающим хорошую совместимость с другими элементами электронной схемы. Решению этой проблемы и посвящена данная работа. Таким образом, актуальность темы диссертации определяется не только перспективами практического использования исследуемых эффектов, но и немаловажным фундаментальным аспектом этих исследований. Среди проблем, представляющих самостоятельный научный интерес, можно выделить следующие:
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ.
3 БИБЛИОТЕКА }
Поскольку в структурах с ТМС достаточно большая величина тока может быть достигнута только для очень тонких барьеров, которые вследствие технологических трудностей их изготовления не однородны по толщине, что отрицательно влияет на воспроизводимость эффекта, возникает проблема других способов увеличения тока, например, с помощью резонансного туннелирования через промежуточные металлические слои или примеси.
В туннельных наноконтактах всегда присутствуют примеси и "поры", при этом возникает так называемые "горячие точки", которые приводят к сильным пространственным неоднородностям туннельного тока и искажают картину поведения ТМС по сравнению с идеальной. Поэтому представляет интерес исследование вольт-амперной характеристики и ТМС в туннельном контакте при различном расположении одиночной примеси внутри контакта и при противоположных направлениях тока.
При изготовлении электронных устройств обычно используются элементы с односторонней проводимостью - диоды. Для избежания проблемы совместимости туннельных контактов с проводниками другой природы, весьма интересной представляется идея создания туннельного диода, состоящего из изолирующего барьера, внутри которого находится асимметрично расположенный слой неупорядоченных примесей, которые, с одной стороны, могут при определенных условиях привести к резонансному увеличению тока, а с другой, делают структуру весьма чувствительной к изменению направления тока.
Данная диссертация и посвящена теоретическому исследованию этих проблем.
Целью данной работы является:
1. Исследование туннельного тока и ТМС в гибридной структуре, состоящей из спин-вентильной структуры F1/P/F2,tjxc F1 и F2 -два
ферромагнитных металла разной коэрцитивности, разделенные слоем парамагнитного металла Р, и находящейся между двумя туннельными барьерами, подсоединенными к ферромагнитным контактам. Определить оптимальные характеристики структуры и диапазоны изменения приложенного электрического поля, позволяющие получить наибольшую величину как туннельного тока, так и ТМС.
Выяснение влияния одиночной примеси, находящейся внутри барьера, на пространственное распределение тока и ТМС, в зависимости от расположения примеси относительно границ структуры, ее потенциала, а также направления тока в баллистическом режиме переноса.
Исследование возможности создания управляемого внешним магнитным полем диода на базе искусственной структуры, представляющей собой одиночный туннельный барьер, подсоединенный к двум ферромагнитным электродам, внутри которого находится асимметрично расположенный слой немагнитных металлических примесей.
Научная новизна и практическая ценность работы состоит в
следующем:
Предложена система, представляющая собой спин-вентильную трехслойную структуру , заключенную между двумя туннельными барьерами и подсоединенную к ферромагнитным электродам. Такая структура сочетает в себе преимущества систем с ГМС и ТМС и является весьма перспективной для практических применений, так как позволяет получить достаточно большие значения магнитосо-противления, характерные для ГМС в СРР геометрии (ток перпендикулярный плоскости слоев) при значительной величине используемых электрических токов
С использованием неравновесной техники Келдыша проведен квантово-механический расчет туннельного тока через одиночный
барьер с произвольно расположенной внутри него примесью в баллистическом режиме. Для учета влияния примеси сформулирован модифицированный вариант этой техники, в котором возмущенная неравновесная функция Грина находится из уравнения Дайсона. С помощью численных методов расчета построена вольт-амперная характеристика туннельного тока и ТМС, наглядно показывающая сильное искажение картины этих явлений по сравнению со случаем идеального барьера
3. В рамках предложенной нами модифицированной техники Келдыша и с использованием когерентного потенциала исследована возможность создания туннельного диода на базе описанной выше структуры, в которой вместо одиночной примеси имеется слой неупорядоченных металлических примесей. Рассчитывается вольт-амперная характеристика тока и ТМС при асимметричном расположении примесного слоя относительно границ структуры при двух направлениях тока. Оцениваются пределы изменения параметров структуры и внешнего поля, при которых данная структура действительно может быть использована в качестве диода
Результаты, полученные в диссертации, могут послужить стимулом для создания наногетероструктур с повышенным значением ТМС и туннельного диода, а также к дальнейшему развитию теории резонансного туннелирования через неоднородные изолирующие барьеры.
Основные результаты диссертации, которые выносятся на защиту, можно сформулировать следующим образом:
1. В диссертации в рамках формализма Кубо и метода функций Грина рассчитывается ТМС во впервые предложенной нами гибридной структуре, представляющей собой сопряженные спин-вентильную и туннельную структуры, найдены зависимости ТМС от геометрических размеров и параметров электроного спектра металлических слоев. Показано, что именно в такой структуре благодаря резонансному характеру туннелирования и сочетания преимуществ ТМС и
СРР ГМС можно получить значительное увеличение эффекта ТМС. Это связано с тем, что условия резонанса кардинально меняются при изменении взаимной ориентации намагниченностей внутренних слоев от параллельной к антипараллельной, а значит, сильно меняется и туннельный ток. В этом отличие предложенной нами структуры от рассмотренной ранее структуры с двойным барьером и одним металлическим слоем внутри, в которой большое увеличение туннельного тока в резонансе не приводит к такому же увеличению ТМС. Полученные в диссертации зависимости ТМС от размеров спин-вентильной структуры для двух спиновых каналов имеет ряд довольно резких не совпадающих максимумов, соответствующих ситуации, когда энергия электронов одного из спиновых каналов совпадает с энергией резонансного уровня. Поэтому и величина туннельного тока оказывается сильно зависящей от того, совпадают ли положения резонансных уровней для данного спина в соседних слоях спин-вентильной структуры, то есть от взаимной ориентации намагниченностей в них. Эти результаты позволяют надеяться, что исследованная нами структура окажется весьма перспективной для получения одновременно высоких значений и туннельного тока, и ТМС.
2. С помощью модифицированной неравновесной техники Келдыша и решения уравнения Дайсона для неравновесной функции Грина исследуется пространственное распределение тока и ТМС при тун-нелировании электрона через барьер с одиночной произвольно расположенной примесью внутри него при двух направлениях тока и различных величинах напряжения. Примесь рассматривается в приближении короткодействующего потенциала произвольного знака. Показано, что в такой структуре наблюдается резкое, на порядки величины, локальное увеличение туннельного тока и ТМС, причем их величина сильно зависит от положения примеси в барьере. Кроме того, показано, что асимметричное расположение примеси приводит и к сильной асимметрии вольт-амперной характеристики по отноше-
нию к изменению направления тока. Эти результаты показывают, с одной стороны, сильное влияние наличия примесей на прозрачность барьера и величину ТМС, а с другой стороны, служат стимулом к дальнейшему исследованию возможности квазиодносторонней проводимости подобных систем
3. С помощью модифицированной техники Келдыша рассчитаны волт-амперная характеристика и ТМС структуры с искусственно приготовленными неоднородностями, состоящей из присоединенного к ферромагнитным электродам изолирующего барьера, внутри которого находится слой неупорядоченных примесей. В дополнение к неравновесной функции Грина идеального барьера, к которому приложена разность потенциалов, находится и возмущенная функция Грина для барьера с примесным слоем, для чего используется приближение когерентного потенциала. Поскольку когерентный потенциал в данном случае имеет такую же матричную структуру, как и неравновесная функция Грина, то уравнение Дайсона в данном случае имеет достаточно сложный по сравнению со случаем одиночной примеси вид, поэтому запись и решение этого уравнения являются одним из важных результатов работы. Вполне заметная асимметрия рассчитанной вольт-амперной характеристики по отношению к изменению направления тока доказывает возможность использования такой структуры в качестве туннельного диода
Апробация работы. XVIII International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces July 22 to 25 2003, Madrid; XXX Международная зимняя школа по теоретической физике «Коуровка», 22-28 февраля 2004; Школа-Семинар «Новые магнитные материалы микроэлектроники» НМММ XIX, МГУ им. М. В. Ломоносова физический факультет, Москва, 28 июня - 2 июля 2004; Joint European magnetic symposia JEMS'04, Drezden,Germany, September 5-10 , 2004.
Публикации Основное содержание диссертации изложено в 6 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения,
четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 81 страниц, включая 15 рисунков и библиографический список из 73 наименований.