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中國科學院物理研究所 M02組供稿 第35期 2019年05月14日
北京凝聚態物理國家研究中心
雙金屬量子阱層中共振隧穿的研究

  磁性隧道結中的量子阱共振隧穿效應由于其重要的科學與應用價值而被廣泛關注和研究。在半導體領域,多量子阱之間的共振隧穿已經被證實和應用,例如共振隧穿二極管、多量子阱的發光二極管等。然而,目前為止還沒有在金屬結構中實現多量子阱的共振隧穿。這是由于在金屬量子阱層中由于各種退相干因素使得電子很難保持相干性,從而使得在實驗上實現多金屬量子阱層之間的共振隧穿效應非常具有挑戰性, 這對磁性隧道結中的量子阱共振隧穿尤其如此。

  中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心磁學國家重點實驗室M02課題組韓秀峰研究員領導的研究團隊,2014年通過與法國讓拉莫研究所/洛林大學的陸沅博士、Stéphane Mangin教授、Michel Hehn教授等所在的“納米磁性和自旋電子學組”合作,一同設計并制備了基于新型尖晶石結構的MgAl2O4單晶勢壘的核心結構為Fe(001)/MgAlOx/Fe(d)/MgAlOx/Fe的雙勢壘磁性隧道結。在中間Fe層厚度d分別為6.3nm, 7.5nm 和12.6nm的樣品中均觀測到了由量子阱態導致的電導隨偏壓的振蕩現象。在如此寬的量子阱中依然可以保持電子相位的相干性,是因為實驗上制備出了高質量的準單晶Fe/MgAlOx界面及中間量子阱Fe層薄膜。由于MgAlOx和Fe晶格失配度很小,界面處應力較小,產生的位錯缺陷很少,所以在界面處的相位位移分布很小,從而增強了量子阱共振隧穿效應。最終從低溫到室溫在較窄和很寬的量子阱中都可以觀測到電導隨偏壓的振蕩效應(即QW-TMR量子阱共振隧穿磁電阻效應)。該項實驗結果和重要階段性進展,已發表在物理評論快訊雜志上[B. S. Tao, H. X. Yang,Y. L. Zuo, X. Devaux, G. Lengaigne, M. Hehn, D. Lacour, S. Andrieu, M. Chshiev, T. Hauet, F. Montaigne, S. Mangin, X. F. Han*, Y. Lu* , Phys. Rev. Lett. 115 (2015) 157204 ]?;諫鮮鍪笛檠芯拷峁?,該團隊繼續推動了這一課題的合作,又進一步開展了雙金屬量子阱層中共振隧穿效應的相關研究。

  首先,為了證明在三勢壘隧道結中可以形成雙量子阱態,制備出了核心結構為Fe/MgAlOx(3 MLs)/Fe(9 nm)/MgAlOx(6 MLs)/Fe(9 nm)/MgAlOx(3 MLs)/Fe的三勢壘隧道結。由于底部和頂部MgAlOx勢壘比較薄,導致兩層金屬量子阱層的費米面與相鄰的Fe電極費米面釘扎在一起。因此,在正負偏壓下,只能探測某一層量子阱層中的量子阱態。實驗結果顯示在正負偏壓下,均觀測到了電導隨偏壓振蕩現象,說明在三勢壘隧道結中確實形成了雙量子阱態。進而,實驗研究發現,為了實現雙量子阱中的共振隧穿,必須滿足三個條件:(1) 兩層量子阱層厚度相同以保證量子能級位置匹配;(2) 量子阱層的費米能級不能與相鄰電極的費米能級釘扎在一起;(3) 降落在中間勢壘層上的電壓必須很小以保證兩層量子阱中的量子阱態能級位置對齊?;諫鮮隹悸?,制備了核心結構為Fe/MgAlOx(6 MLs)/Fe(7.7 nm)/MgAlOx(3 MLs)/Fe(7.7 nm)/MgAlOx(6 MLs)/Fe的三勢壘隧道結。在該樣品中,也在正負偏壓下均觀測到電導隨偏壓振蕩的現象,并且通過位相累積模型模擬得出振蕩峰位和數量與厚度為7.7 nm Fe 相符。這說明雖然電子穿過兩層Fe層,但是只表現出一層的量子阱態,并且共振峰的半高寬只有單量子阱層的一半,證明在實驗上確實實現了通過了兩層量子阱層的共振隧穿。

  該研究工作首次實現了磁性隧道結雙金屬量子阱層中的共振隧穿,為進一步發展基于共振隧穿效應的新型自旋電子學器件奠定了重要的實驗基礎。相關研究工作發表在《納米快報》上 [B. S. Tao, C. H. Wan, P. Tang, J. F. Feng, H. X. Wei, X. Wang, S. Andrieu, H. X. Yang, M. Chshiev, X. Devaux, T. Hauet, F. Montaigne, S. Mangin, M. Hehn, D. Lacour, X. F. Han, Y. Lu. Coherent Resonant Tunneling through Double Metallic Quantum Well States. Nano Lett. 19 (2019) 3019–3026]。

  該項研究工作得到了國家自然科學基金委員會、科技部國家重點研發項目、中法國際合作與交流基金項目和中科院有關基金的大力資助。

圖1. 左圖:核心結構為Fe/MgAlOx(6 MLs)/Fe(7.7 nm)/MgAlOx(3 MLs)/Fe(7.7 nm)/MgAlOx(6 MLs)/Fe的三勢壘隧道結結構示意圖及高分辨電鏡照片;右圖:該樣品正負偏壓下電導隨偏壓的依賴關系,插圖為電子在負偏壓下的隧穿示意圖。

下載附件>> Nano Lett. 19, 3019 (2019).pdf
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