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Ch 3 隧道磁电阻（ TMR ）效应. 本讲内容（ 2 学时）重点： 隧穿现象和 隧道磁电阻（ TMR ）效应 Julliere 公式 STM 和自旋极化的 STM. 隧穿现象. “M － I—M” 振荡波和衰减波 电子的穿透率 用 WBK 方法计算波函数. 计算穿透率 T 自由电子情况. 结果： 简化： 位垒 与坐标无关， （ 1 ）强入射、弱势垒 入射能量 E 接近 V0 、 绝缘层 很窄 (X2-X1)→ 0 。 那么， I → 0 ； T→1 。 电子的穿透。
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Ch 3 隧道磁电阻（TMR）效应 本讲内容（2学时）重点： 隧穿现象和 隧道磁电阻（TMR）效应 Julliere公式 STM 和自旋极化的STM
隧穿现象 “M－I—M” 振荡波和衰减波 电子的穿透率 用 WBK 方法计算波函数
计算穿透率 T 自由电子情况 结果： 简化： 位垒 与坐标无关， （1）强入射、弱势垒 入射能量E接近 V0、绝缘层很窄 (X2-X1)→ 0。 那么，I → 0；T→1。 电子的穿透。 （2）弱入射、强势垒 反之。 那么，I → 很大；T→很小。电子受阻。
隧穿电流（Simmons 公式，1963） 计入Fermi－Dirac 统计 (1) → (2) 电子 (2) → (1) 电子 隧穿电流 近似结果： 隧穿电流 ≈ 指数衰减部分×状态函数部分 其中，指数部分＝ F（势垒宽、高度，...） 状态部分＝ F（两个电极的性质,...）
几种隧穿现象 不同的“两电极性质”和“势垒、宽、高度” (近似!) 名称 势垒 电极 1 隧道效应 绝缘体 简单金属－I －简单金属 2 隧道磁电阻效应 绝缘体 铁磁金属－I －铁磁金属 3 扫描隧道显微镜STM 真 空 简单金属－V－待测样品 4 自旋极化STM 真 空 铁磁金属－V－待测样品 5 .........
隧穿磁电阻 (TMR) 效应 “FM－I－ FM”结 发现 M Julliere （1975）； 再发现 T Miyazaki （1995） Moodera （1995）
Julliere公式（1） 隧穿电流 （近似!）I ∝ 指数衰减部分×状态密度部分 上左图 FM电极的磁矩彼此“平行” （注意：数值大小是 ） 上右图 FM电极的磁矩彼此“反平行” （注意：数值大小是 ）
Julliere公式（2） 隧穿电流的大小 ? 问题：>？ 这就是TMR效应 如果 就有 当然
Julliere公式（3） TMR比率（放大的） 分子 ＝ 分母 ＝
Julliere公式（4） TMR的公式（用自旋极化率 表示） 第一个电极 第二个电极 简单代数运算，得到 Julliere的公式，
Julliere公式（5） “保守的”Julliere的公式 例子，如果，以Fe和Co 作为电极， 那么 TMR比率＝0。26
STM 将“M－I－M”结中绝缘体 (I） 换成“真空”，得STM。 将Julliere“FM－I－FM”结中绝缘体（I） 换成“真空”，得自旋极化的STM。
STM工作原理(1) 隧穿电流 I ∝ 指数衰减部分×状态密度部分 隧穿电流I的指数衰减部分为 是探针和样品表面之间的距离
STM工作原理(2) 恒流模式：固定隧穿电流 I 为此，因为被测表面起伏不平, “上电极”需上下移动，以保证 取固定值。 将“上电极”的移动放大，得到表面起伏的“图像”。 因为， 在公式的指数上面，灵敏度高。 表面原子级的起伏和电性质的图像―――诺贝尔奖。
自旋极化的STM 问题： 自旋极化的STM和Julliere公式 （隧穿电流与自旋相对取向有关） 原理： 隧穿电流 I ∝ 指数衰减部分×状态密度部分 隧穿电流 的状态密度部分， 取决于两电极磁矩的相对取向。
自旋极化的STM 工作原理 FM(CrO2)针/ AFM（Cr）样品 磁化状态改变了 隧穿电流。 为电流恒定，而 调整真空空隙。 不同自旋极化状态 等效于 “附加的”空隙。
