Spin-polarized transport in single-electron spin valve transistors

Duisburg, Essen (2012), II, 90 S.
Dissertation / Fach: Physik
Fakultät für Physik
Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2012
Abstract:
Die vorliegende Dissertation untersucht den elektronischen Transport durch mesoskopische Bauelemente aus dem Bereich der Spintronik. Dies ist von besonderem Interesse, da derartige Strukturen bereits erfolgreich industriell produziert und genutzt werden und darüber hinaus verspricht man sich von ihnen neuartige informationstechnologische Anwendungen. Hervorgerufen durch den andauernden Trend der Miniaturisierung elektrischer Komponenten haben spinelektronische Bauteile mittlerweile Strukturbreiten im Nanometerbereich erreicht. Allerdings kann man diese Verkleinerung nicht unbegrenzt fortsetzen, da auf den schon heutzutage erreichten Längenskalen die Gesetze der Quantenmechanik die momentane Funktionsweise der Bauelemente mehr und mehr beeinflussen. Daher wird es notwendig sein konzeptionell neuartige Strukturen einzuführen, die Quantenphänomene zu ihrem Vorteil nutzen. Diesbezüglich bedeutende Beispiele sind ferromagnetische Einzelelektronentransistoren. Sie beruhen auf dem Tunneleffekt, nutzen die Eigenschaften des Elektronenspins und ermöglichen das Schalten sowie Verstärken elektrischer Signale. Das elektronische Transportverhalten dieser Bauelemente wird durch Einzelelektroneneffekte wie die Coulombblockade oder Coulomboszillationen bestimmt, wobei zusätzliche spinelektronische Phänomene wie die Spinakkumulation und der Tunnelmagnetwiderstand durch strukturinterne magnetische Materialen hervorgerufen werden. Diese Arbeit behandelt eine spezielle Realisierung ferromagnetischer Einzelelektronentransistoren, nämlich den sogenannten Einzelelektronenspinventiltransistor. Dieser besteht aus einer metallischen Insel die über Tunnelkontakte mit zwei ferromagnetischen Zuleitungen verbunden ist. Zusätzlich ist die Insel kapazitiv an eine Gateelektrode gekoppelt. Basierend auf einem diagrammatischen Realzeit Formalismus entwickeln wir eine sequentielles Tunneln beschreibende Theorie, unter nichtstörungstheoretischer Betrachtung der Coulombwechselwirkung auf der Insel. Im Gegensatz zum Großteil der Arbeiten, die sich mit ferromagnetischer Einzelelektronentransistoren beschäftigen, betrachten wir den allgemeinen Fall nichtkollinearer Magnetisierungsrichtungen der beiden Zuleitungen. Dies bewirkt das Auftauchen neuartiger Transporteigenschaften, die im kollinearen Grenzfall nicht zu Tage treten. Beispielsweise existiert im betrachteten System ein wechselwirkungsinduziertes Austauschfeld, welches den elektrischen Transport nur im Falle nichtkollinearer Magnetisierungen messbar beeinflusst. Im Einzelnen analysieren wir das Verhalten des auf der Insel akkumulierten Spins, den elektrischen Strom durch das Bauteil sowie die zugehörigen Stromfluktuationen. Dabei beobachten wir ein anspruchsvolles Transportverhalten des Systems hervorgerufen durch das Zusammenspiel von Ladungseffekten und Spinpolarisation. Wir finden eine hohe Empfindlichkeit des Inselspins auf eine Variation der Gatespannung, was die elektrische Steuerung der induzierten Magnetisierung ermöglicht. Desweiteren identifizieren wir die zweite Ableitung des Stroms nach der angelegten Transportspannung als ein mögliches Instrument zur Bestimmung des Grades der Zuleitungspolarisierung. Abschließend sei ausdrücklich betont, dass in unserer Analyse ein wesentliches Augenmerk auf den Auswirkungen des oben erwähnten Austauschfeldes liegt.