Transport ładunku i spinu oraz akumulacja spinowa w magnetycznych złączach tunelowych

Abstract

W niniejszej pracy został zbadany mechanizm transportu nośników prądu elektrycznego oraz spinu w strukturach wielowarstwowych takich jak złącza półprzewodnikowe, rezonansowe diody tunelowe oraz kropki kwantowe. Głównym celem pracy jest określenie podstawowych własności przepływu prądu elektrycznego oraz spinowego przez tego rodzaju struktury. Praca ma charakter opracowania teoretycznego lecz nawiązuje do wyników badań prowadzonych nad omawianymi układami. Wyniki tych eksperymentów zostały opublikowane i odnośniki do tych prac znajdują się w spisie publikacji na końcu rozprawy. W pracy znajduje się przegląd najważniejszych dokonań uzyskanych w badaniach poświęconych spintronice oraz rozwinięcie niektórych wyników odnoszących się do rezonansowych diod tunelowych. Przedstawiono główne cechy przepływu prądów tunelowych oraz kontaktowych dla wielowarstwowych złącz tunelowych, zawierających bariery potencjału oraz studnie potencjału ze skwantowanymi poziomami energetycznymi. Obliczenia prowadzone były analitycznie oraz numerycznie. Zbadana została zależność prawdopodobieństwa efektu tunelowego, decydującego o przepływie prądu w niniejszej strukturze, od natężenia pola magnetycznego obejmującego jedną warstwę zewnętrzną. Zbadano charakterystykę przepływu prądu przez diodę tunelową zawierającą poziom rezonansowy w warstwie studni potencjału, jak również wpływ parametrów geometrycznych takich jak grubość bariery potencjału na przepływ prądu. Ponadto wzięto pod uwagę możliwą polaryzację spinową prądu przepływającego przez układ oraz związaną z tym możliwość akumulacji spinowej ładunku w warstwie studni. Uwzględniono też magnetyzację wewnątrz studni indukowaną spinowym rozszczepieniem poziomu rezonansowego. Przedyskutowano wpływ wartości rezonansowego poziomu energetycznego na możliwość wystąpienia prądu tunelowego. W szczególności zbadany został proces magnetyzacji poziomu rezonansowego w obszarze studni potencjału, która sama nie znajduje się pod działaniem zewnętrznego pola magnetycznego. Uzyskane wyniki potwierdzają możliwość manipulacji przepływem spinu przez rezonansowe diody tunelowe, a zatem pozwalają traktować je jak filtry spinowe. Przeanalizowane zostały właściwości transportowe struktur wielowarstwowych z niemagnetycznymi oraz magnetycznymi warstwami centralnymi pod kątem szumu śrutowego. Statystyczny charakter transportowanych ładunków z uwzględnieniem spinu jest uwzględniony za pośrednictwem czynników Fano, których wartości zostały obliczone w zależności od konfiguracji momentów magnetycznych w poszczególnych warstwach struktur. Tego typu analizy wskazują na istotną rolę ziarnistości ładunków i spinów na proces transportu, a co za tym idzie także własności elektroniczne materiałów z szumami śrutowymi. Przeanalizowano przypadek szumów w układach ze słabą oraz silną relaksacją spinową. Wyniki zostały porównane z danymi eksperymentalnymi. Wykazane zostało, że względne ustawienie przestrzenne momentów magnetycznych wpływa na zakres szumu śrutowego w domieszkowanych złączach magnetycznych. Silna relaksacja spinowa okazuje się mieć istotny wpływ na wartość czynnika Fano. Z analizy danych eksperymentalnych wynika, że czynnik Fano może ulegać zmianie poprzez dobór konfiguracji magnetycznej poszczególnych warstw układu. Przeanalizowano wpływ możliwej asymetrii spinowej oraz prawdopodobieństw tunelowania przez różne poziomy energetyczne na wartość czynnika Fano. Wskazano na związek pomiędzy szumem śrutowym oraz zależnym od spinu efektem tunelowym. Badanie roli szumów śrutowych na proces transportu nośników ładunku i spinu przez układy wielowarstowe z molekularnymi poziomami energetycznymi w centralnej warstwie zawierającej związek organiczny lub kropkę kwantową było następnie kontynuowane z wykorzystaniem formalizmu statystyki pełnego zliczania. W rozprawie zbadano własności transportu przez układ z dwoma dyskretnymi poziomami energetycznymi, uwzględniając istnienie silnego oddziaływania kulombowskiego pomiędzy elektronami mogącymi obsadzać stany w takim układzie. Został opisany efekt kontroli oraz teoretycznego zrozumienia zjawisk szumu śrutowego i magnetooporu tunelowego we wszystkich czterech stanach magnetycznych dwubarierowych złącz tunelowych. Uogólnienie podejścia zaprezentowanego w dotychczasowych publikacjach poświęconych statystyce pełnego zliczania odnosi się do zależnego od spinu tunelowania elektronów poprzez warstwę molekularną znajdującą się pomiędzy złączami magnetycznymi. Jako metody obliczeniowej użyto rozwiązana równania fundamentalnego z wykorzystaniem prawdopodobieństw przebywania molekuł w jednym z możliwych stanów. Uogólnienie modelu dwupoziomowego do przypadku struktury magnetycznej ma istotny wpływ na zakres szumów pojawiających się w układzie. W przypadku struktury niemagnetycznej i jednakowego prawdopodobieństwa tunelowania poprzez górny i dolny poziom energetyczny, potwierdziliśmy wartość czynnika Fano uzyskanego w pracach poprzedników. Ponadto przedyskutowaliśmy prawdopodobieństwo tunelowania obdarzonych spinem cząstek poprzez łańcuchy molekularne i relatywnie grube złącza tunelowe w sytuacji gdy energia poziomów różnych molekuł nie jest dokładnie taka sama. W takim przypadku czynnik Fano ma wartość odpowiadającą przypadkowi statystyki poissonowskiej. W pracy przedstawiono przegląd wyników badań eksperymentalnych m. in. nad prądami spinowymi, szumami śrutowymi oraz tunelowym magnetooporem. Wyniki tych badań są w zgodzie z przewidywaniami teoretycznymi. W podsumowaniu do rozprawy odniosłem się do perspektywy dalszych prac i możliwych kierunków badań nad elektroniką spinową, ze szczególnym uwzględnieniem możliwych zastosowań i korzyści płynących z wykorzystania przyszłych odkryć w tej dziedzinie.

In this work we investigated main mechanisms of the transport of carriers of electric charge and spin in the multilayer structures with tunnel junctions, semiconductor-based resonance tunnel diodes and quantum dots. The main aim of this work is to define basic properties of the flow of electric current and the spin current in such structures. The work is a theoretical development but it also refers to the experimental results of research of the systems. The results of experiments have been published, and corresponding works can be found at the list of publications at the end of the disquisition. This research includes an overview of the most important achievements obtained in the study devoted to spintronics. It develops some of the results relating to the resonant tunneling diodes and presents the main features of the tunneling currents and contact connectors in multi-layer tunnel structures containing potential barriers and quantum wells with quantized energy levels. The calculations were carried out analytically and numerically. We have studied the tunneling probability and various basic properties of the current which flow in the structure, where the magnetic field covers one of the outer layer. It was also examined the characteristics of current flow through the resonant level of the tunneling with the quantum well, and the influence of geometric parameters such as the thickness of the barrier to the current. Moreover, it was taken into account possible spin polarization of the current flowing through the system and the associated possibility of creation the spin accumulation layer and charge in the well. We have also study induced magnetization of the quantum well and spin splitting of the resonance level, especially the influence of the resonance energy level on the possibility of the tunneling current. In particular, it was examined the process of magnetization of the resonant level in the area of the potential well, which is not under the external magnetic field. The results confirm the possibility of manipulation of the flow in the spin resonance tunnel diodes, and thus allow to treat them as spin filters. We have analyzed transport properties of the multilayer structures with magnetic and nonmagnetic layers specially for investigating properties of the shot noise, which is a manifestation of statistical nature of transported charge. We have taken into account the spin of the carriers and studied the Fano factor, whose values have been calculated depending on the configuration of the magnetic moments. Such analysis indicates the importance of particle granulation of spins carriers in the transmission process, and hence the properties of electronic materials with the shot noise. We have analyzed the shot noise in systems with weak and strong spin relaxation. The results were compared to the experimental data. It has been demonstrated that the relative spatial arrangement of the magnetic moments affects the scope of shot noise in doped magnetic connectors. Strong spin relaxation is found to have a significant impact on the value of the Fano factor. The analysis of experimental data shows that the Fano factor can be varied by the selection of the magnetic configuration of each layer of the system. We have investigated the influence of a possible spin asymmetry and the probability of tunneling through the various energy levels on the value of Fano factor. It pointed out the relationship between the shot noise and the spin dependent tunneling effects. We have studied the role of shot noise in the transport processes of charge and spin carriers that flow through the multi-layered system with molecular energy levels in the central layer. That structure contained an organic compound or quantum dot. We have analyzed such case using the formalism of full counting statistics, and examined transport properties of the system with two discrete energy levels by taking into account the existence of a strong Coulomb interaction between electrons. We have described the phenomena of shot noise and tunneling magnetoresistance in all four states double-barrier magnetic tunnel junction. Generalization of this approach is presented in previous publications by using the method of full counting statistics referring to the spin-dependent tunneling of electrons through the molecular layer located between the magnetic connectors. As the calculation method we use the solution of master equation for the probabilities in one of the possible states. Generalization of two-level model to the case of the magnetic structure has a significant impact on the scope of the noise appearing in the system. In the case of a nonmagnetic structure and equal probability of tunneling through the upper and lower energy level, we confirmed the value of the Fano factor obtained in previous publications. In addition, we discussed the probability of tunneling charges with the spin through molecular chains and relatively thick connector, when the energy levels of different molecules is not exactly the same. In this case the Fano factor has a value corresponding to the Poisson statistics. The work also presents an overview of the results of experimental research of the spin current properties, shot noise and tunnel magnetoresistance. The results of these studies are consistent with our theoretical predictions. In conclusion, the dissertation contains the discussion of the prospects of further work and possible directions of researches in spin electronics, with particular influence and the possible benefits arising from the future discoveries in this field.