Теория транспортных свойств реальных многослойных систем, страница 2

Разработан метод построениясимметричной одноэлектронной функции Грина магнитной многослойнойсистемы с произвольной взаимной ориентацией намагниченностей слоев,который может быть применен к исследованию широкого класса слоистыхсистем, в том числе с сложным потенциальным профилем.Разработан и обоснован метод построения функции Гринасегментированных нанопроводов с сегментами различного диаметра.Эти методы позволяют исследовать широкий класс магнитныхмногослойных систем с неколлинеарной намагниченностью слоев.В диссертации впервые исследован ряд новых явлений и эффектов вмагнитных многослойных структурах.Исследовано влияние диффузионного рассеяния электронов на боковойповерхности магнитного сегментированного нанопровода на еготранспортные свойства.6Рассмотрено явление спиновой блокады, показано, что спиноваяблокада сохраняется для наноконтактов сложной формы.Впервые предложена теория, объясняющая ряд характерныхособенностей межслойного обменного взаимодействия в системах, в которыхферромагнитные слои разделены барьером.Исследовано переключение проводимости и спиновой поляризациитока в многослойной системе с сегнетоэлектрическим слоем.На основании проведенного исследования транспортных свойствмагнитных слоистых наносистем предложен ряд не предлагавшихся ранееустройств, в которых возможно манипулирование проводимостью,поляризацией тока, магнитной конфигурацией системы.Положения, выносимые на защиту.- метод построения симметричной функции Грина многослойноймагнитной системы с произвольным направлением намагниченностимагнитных слоев;- метод построения функции Грина сегментированного нанопровода ссегментами различных радиусов;- квантово-статистическая теория проводимости в магнитныхсегментированных проводах с диффузионным рассеянием на боковыхграницах;- явление спиновой блокады в сегментированном нанопроводе ссегментами различного радиуса;описаниетранспортныхсвойствтрехслойнойсистемыпроводник/барьер с пинхолом/проводник с диффузионной проводимостьюпроводящих слоев и баллистической проводимостью пинхола;- теория межслойного обменного взаимодействия в туннельныхмагнитных контактах при наличии примесей и дефектов в барьере;возможность смены знака межслойного обмена в магнитных туннельныхконтактах при резонансном туннелировании электрона через примесь;- явление переключения проводимости и спиновой поляризации тока васимметричных магнитных системах, содержащих сегнетоэлектрическиеслои при переключении направления поляризации сегнетоэлектрика.Апробация работы.

Основные результаты диссертации и отдельные ееположения докладывались на следующих конференциях:718th General Conference of the Condensed Matter Division of the EuropeanPhysical Society, Montreaux, Switzerland, 13-17 March 2000; Workshop onComputational Magnetoelectronics, Dresden, 01-03 December, 2000;Международная школа по квантовой химии им. В. А. Фока, ВеликийНовгород, март, 2002; Московский Международный Симпозиум поМагнетизму (MISM-2005), Москва,Июнь 2002; Joint MMM-IntermagConference, Anaheim, California, January 2004; APS March Meeting, Montreal,Canada, March 2004; 4-th International Symposium on Metallic Multilayers,Boulder, Colorado, July 2004; 7th International Conference on NanostructuredMaterials, Wiesbaden, Germany, June 2004; 27th international conference on thephysics of semiconductors, Flagstaff, Arizona, July 2004; Joint EuropeanMagnetic Symposia, Dresden, Germany, September 2004; 49-th Conference onMagnetism and Magnetic Materials, Jacksonville, Florida, November 2004; 49th Conference on Magnetism and Magnetic Materials, Jacksonville, Florida,November 2004; Московский Международный Симпозиум по Магнетизму,Москва, Июнь 2005; 50-th Conference on Magnetism and Magnetic Materials ,San Jose, CA, November 2005.Объем и структура работы.

Общий объем диссертации составляет 191страницу. Диссертация состоит из Введения, включающего литературныйобзор, четырех глав, выводов, списка литературы, включающего 182наименования; содержит 34 рисунка.Личный вклад автора в проведенное исследование. Личный вклад авторазаключается в выборе направления исследования, формулировке ипостановке задач, выборе и разработке методов решения, непосредственномучастии в проведении теоретических исследований, обработке иинтерпретации полученных результатов, написании статей и подготовкедокладов.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫГлава 1. Построение одноэлектронных функций Грина слоистых систем.Квантово-статистический расчет проводимости многослойной системыможет быть выполнен в рамках различных подходов. В случаебаллистической проводимости часто используется подход Ландауера [6].8Более общая теория линейного отклика Кубо применима как в случаебаллистической, так и в случае диффузионной проводимости.Расчет проводимости в рамках линейного отклика предполагаетпредварительное построение функции Грина.

В одноэлектронномприближении, когда гамильтониан явным образом не содержит членов,описывающих электрон-электронное взаимодействие, «физическая» функцияГрина совпадает с функцией Грина уравнения Шредингера.Построение функции Грина предполагает решение следующих задач:«сшивку» на границах между слоями, т.е. выполнение условийнепрерывности на границах для самой функции и ее производных иналожение граничных условий на границах слоистой системы (или набесконечности). Эти проблемы делают нетривиальной задачу построенияфункции Грина магнитной многослойной системы с произвольным числомслоев и произвольной ориентацией намагниченностей магнитных слоев.Построению функции Грина многослойной системы уделялось немаловнимания.

В частности, был предложен [7] способ сшивки на границахмежду слоями, основанный на так называемых поверхностных функцияхГрина. Этот способ, хотя и является универсальным, становится оченьгромоздким и практически неприменимым при возрастании числа слоев вслучае матричных функций Грина.Поскольку функция Грина зависит от двух пространственныхпеременных, возникает вопрос о ее свойствах симметрии при перестановкепеременных. Как отмечено в [7] в общем случае, функция Гринамногослойной системы может быть и не симметричной. Этот вопрос требуетотдельного исследования.Еще более сложной является задача построения функции Гринасегментированного нанопровода с сегментами различного радиуса.

В этомслучае различие радиусов сегментов не позволяет свести задачу кодномерной.В диссертации рассмотрены системы двух типов. Первый – магнитнаямногослойная система, неограниченная в попереченом направлении смежслойными границами параллельными друг другу. Однороднаянамагниченность магнитных слоев может иметь произвольное направление.Второй тип систем – сегментированный нанопровод с сегментами различныхрадиусов и коллинеарной намагниченностью магнитных сегментов.В общем случае неколлинеарной намагниченности слоев магнитноймногослойной системы (Рис.

1.1) функция Грина представляет собой9матрицу размером 2 × 2 [8]. Одноэлектронная матричная функция Гринаудовлетворяет системе линейных дифференциальных уравнений,) rr rr r( E − H ( r )) G ( r , r ' ) = δ ( r − r ' )(1.1)) rr rгде H (r ) - гамильтониан системы, r , r ' - координаты, δ - дельта-функция.Система дифференциальных уравнений с частными производными (1) можетбыть сведена к системе обыкновенных дифференциальных уравнений сrпомощью преобразования Фурье по переменным x, y ( r ≡ {x, y, z} ось zвыбрана перпендикулярно границам слоев) – с помощью перехода к такназываемому "κ − z" представлению, применимому в том случае, еслимногослойная система однородна вдоль слоев.

Уравнение (1) в этом случаепринимает вид)( E − H (k x , k y , z )) G ( k x , k y , z, z ' ) = δ ( z − z ' )(1.2)Таким образом, задача сведена к одномерной. В системах с небольшимчислом слоев функцию Грина можно построить непосредственно, решаяуравнения (1.2) в каждом слое. В случае произвольного числа слоев такойподход невозможен.NMNMРис.

1.1.Магнитнаямногослойнаясистемаспроизвольнойориентацией намагниченностей магнитных слоев, которыеразделены немагнитными слоями (NM).В первой главе предложен способ построения симметричной функцииГрина магнитной многослойной системы, которая строится как решениеуравнения10 ∂ 22 M (0)  1 0  2 M (1)  cos θ n22 − 2 E n 2 + Q − κ − 2 E n  sin θ e iφnh 0 1  hn ∂zsin θ n e −iφn − cos θ n (1.3)↑↑↑↓ Gnm( z , z ' ; θ, φ) Gnm( z , z ' ; θ, φ)  2 Ma0× ↓↑= G ( z , z ' ; θ, φ) G ↓↓ ( z , z ' ; θ, φ) h2nm nm δ( z − z ' )0' 0δ(z−z)где вектор Q выражается через энергию как Q =2ME , κ = k x2 + k y2 - модуль2hволнового числа электрона в плоскости x-y, M - масса электрона, n, m –номера слоев, которым принадлежат координаты z, z ' , E n( 0) и E n(1) определяютположение дна зоны и обменное расщепление в n-ом слое.