بخشی از مقاله

چکیده
در این مقاله، زمان تونل زنی وابسته به اسپین در دو نمونه نانو ساختار نامتجانس سه لایهاي و پنج لایهاي متشکل از ZnSe / ZnMnSe تحت تاثیر میدانهاي الکتریکی و مغناطیسی به طور نظري بررسی و مقایسه میشوند. لایههاي ZnMnSe در حضور میدان مغناطیسی به صورت فیلتر اسپینی عمل میکنند. بنابراین زمان تونلزنی رفتار متفاوتی را در عبور از دو ساختار مذکور نشان می دهد. زمان تونل زنی براي الکترون ها به انرژي فرودي، مقدار میدان خارجی و جهت گیري اسپین الکترونها وابسته است. نتایج بدست آمده از این مقاله میتواند در طراحی و ساخت وسایل الکترونیکی سرعت بالا مفید واقع شود.

مقدمه
با توجه به نیاز روز افزون به وسایل الکترونیک سرعت بالا علماسپینترونیک توجهات قابل ملاحظهاي را به خود جلب کرده است.وسایل اسپینترونیکی از هر دو عامل بار و اسپین یک الکترون براي
عملکردشان بهرهبرداري میکنند. مساله مهم پاسخ به این سوال است که چه موادي و چه ساختارهایی براي وسائل اسپینترونیکیمناسب هستند و بالاترین بازده و کارایی لازم را میتوانیم ازهاآن بدست آوریم. براي کشف وسایل و موادي با خواص الکتریکیوابسته به اسپین زمینه جدیدي در اسپینترونیک وارد میشود .[1]نیمرساناهاي مغناطیسرسانایی رقیق DMS - ها -  آلیاژهاي نیم  هستند که شبکه آنها از جانشینی اتمهاي مغناطیسی در قسمتی ازشبکه ساخته شده است .[2]

اکثر این DMSها تحرك بسیار زیادالکترون و حفره را ارائه میدهند و بنابراین براي وسایل الکترونیک سرعت بالا مفیداند. از آنجاییکه زمان تونلزنی یک پارامتر کلیديبراي سنجش میزان کارایی نهایی انواع وسایل الکتریکی است [3]به ساختارهایی نیاز داریم که این زمان را به حداقل برسانند. در اینمقاله با فرض همدوسی اسپین با روشی مبنی بر تقریب سرعتگروه، زمان تونلزنی را براي الکترونهاي با اسپین قطبیده در عبور از میاندو ساختار با تعداد متفاوتی از لایههاي مغناطیسی درحضور و غیاب بایاس اعمالی بررسی میکنیم و با مقایسهبه آنهاساختاري با اثر فیلتر کنندگی بهتر و ساختاري با زمانزنیتونلکوتاهتر دست پیدا میکنیم.  از این نتایج میتوان براي طراحیوسایل سرعت بالا با کارایی لازم استفاده کرد.

روش محاسباتی

در این مقاله عبور الکترون با اسپین قطبیده را از میان ساختارناهمگن سه لایهاي ZnSe/ZnMnSe/ZnSe و پنج لایهاي ZnSe/ZnMnSe/ZnSe/ZnMnSe/ZnSe در حضور میدان الکتریکی خارجی و میدان مغناطیسی بررسیهايمیکنیم. لایه پارامغناطیس Zn1- x Mnx Se نیمرساناي مغناطیسی رقیق - DMS - میباشند که اتمهاي Mn  بهصورت تصادفی جایگزین کسري ازاتمهاي گروه II  شدهاند.  به اینطریقترتیب الکترونها ازبرهمکنش تبادلی sp - d با الکترونهاي 3d گشتاورهاي مغناطیسی جایگزیده یونهاي Mn برهمکنش میکنند. اینبرهمکنش منجر به اثر زیمان موثر بزرگ در میدان مغناطیسی
خارجی میگردد. در تقریب میدان متوسط و براي میدان مغناطیسی در طول محور z این برهمکنش پتانسیل وابسته به اسپین را درهامیلتونین سیستم  به صورتVσz  −xeff 〈S z 〉N0ασ z Θ  z Θ  L − z Θ....Θ....... به وجود میآورد .[5]

در این پتانسیل: xeff = x - 1- x - 12 غلظت موثریونهاي Mn است - براي جفت شدگی آنتی فرومغناطیسMn - Mn محاسبه میشود - . 〈S z 〉متوسط دمایی مولفه اسپین Mn در طول میدان مغناطیسی است و از رابطه محاسبه میشود.که اینجا    Bs  تابع بریلوئن اصلاح شده عدد کوانتومی اسپین کل میباشد، S = 5 / 2 ،  g Mn  = 2 عامل  g لانده  براي الکترونهاي Mn+ + ،    µb مگنتوم بوهر و kB ثابت بولتزمن میباشند.  Tدماي شبکه نیمرساناي مغناطیسی است و T0  پارامترتجربی نشانگر آنتیفرومغناطیس  استمیان یونهاي منگنزN 0a .4 ثابت    تبادلی    d    sp -    الکترون  و s z مولفه اسپینالکترون    - 1 / 2 یا    ↑,↓    در طول راستاي میدان میدرباشد.

اینجا - Θz تابع پلهاي است و بیان میکند که تنها در Z هایی که در لایههاي پارامغناطیس قرار دارد عبارت داخل کروشه برابر بامقدار یک میشود و در مکانهاي خارج  لایههاي  پارامغناطیس جمله Vσz برابر صفر است - L عرض لایه پارامغناطیس Zn1- x Mnx Se یک سه لایهاي میباشد - . به این ترتیب در میدانمغناطیسی خارجی هر لایه پارامغناطیساسپینبراي الکترونهاي بالا بهصورت یک سد پتانسیل و براي الکترونهاي عبوري با اسپینپایین بهصورت یک چاه پتانسیل عمل میکنند. تحت یک پتانسیلاعمالی    Va    درامتداد محور  z ، عبارت میدان الکتریکی - eV a z / L    باید به پتانسیل اضافه شود.بنابراین معادله شرودینگر کاهشیافته یک بعدي حرکت در طول تواندمحور می به صورت زیر نوشته شود:  
که        و  Vs    
شکافتگی زیمان الکترونهاي هدایت و - V0 z افست نوار رسانش رسانش تحت میدان مغناطیسی صفر میباشند .[4] براي تعریف زمان تونلزنی عبارت زیر را از هامیلتونی سیستم به صورت زیر
تعریف میکنیم:

ثابت انتشار میباشد. با استفاده ازبرمبنايتعریف زمان تونلزنی  مفهوم سرعت گروه بهصورت    τ  ∫dz / vg z و با استفاده از رابطه    2ψ  z  S z v g z که S z چگالی جریان میباشد و با  جایگذاري آن در زمان تونلزنی و استفاده از رابطه - 2 -  زمان تونلزنی را به شکل زیر بدست میآوریم:

در این حالت توابع موج در لایههاي غیرصورتمغناطیسی بهتوابع موج الکترون آزاد و در لایههاي مغناطیسی به شکل توابع ایري  در  می آیند.صورت  کلی  این  توابع  به  شکلψi z Ci1φi1 zCi2φ i 2 z در هر لایه میباشد. که با استفاده از پیوستگی توابع موج و مشتق آن در مرزها ضرایبCij  تعیین میشوند. به این ترتیب ماتریس انتقال s، وψ را در دو  نقطه z و به هم مربوط میسازد را میتوانیم  به شکل زیر بنویسیم:                                                                                                

شکل - 1 - زمان تونلزنی را بهصورت تابعی از انرژي تابشی E z براي چند میدان مغناطیسی متفاتاسپین براي الکترونهاي بابالا و پایین در عبور از دو ساختار مذکور شکلنشان میدهد. از میتوان دریافت که زمان تونلزنی به میدان مغناطیسی خارجی ونوع ساختار وابسته است.  در حقیقت در یک میدان مغناطیسی خارجی، هر لایه پارامغناطیس در گاف نواري منطبق شده ساختار ناهمگن ZnMn/Zn1-x Mnx Se  براي الکترونهاي اسپین بالابه صورت یک سد پتانسیل و براي الکترونهاي با اسپین پایین به صورت یک چاه پتانسیل رفتار میکندمیدان.در حالی که مغناطیسی افزایش مییابد براي الکترونهاي اسپین بالا سدها بلندتر و بلندتر و براي الکترونهاي اسپین پایین چاهها عمیقتر و عمیقترمیشوند.

بنابراین براي هر یک از ساختارها دیده میشود که وقتی میدان مغناطیسی افزایش مییابد زمان تونلزنی براي الکترونباها اسپین بالا به طور قابل ملاحظهاي طولانی میشود، در حالیکه براي اسپین پایین کاهش مییابد و تغییرات پیچیدهاي را نسبت به انرژي تابشی نشان میدهد.  تفاوتبرايزمان تونلزنیالکترونهاي با جهتگیري اسپینی مختلف تا چندین مرتبه از بزرگی میباشد. این تفاوت با افزایش میدان مغناطیسی افزایش مییابد، در حالی که با افزایش انرژي تابشی کمتر میشود و زمان تونلزنی براي الکترونهاي اسپین بالا و پایین در انرژيهاي بالا ومیدانهاي مغناطیسی پایین تقریبا یکی میشوند.در مقایسه زمان تونلزنی در عبور از ساختارهاي متفاوت در مییابیم که زمان تونلزنی الکترونهاي اسپین بالا در ساختار سه لایهاي بسیار کمتر از آن در ساختار پنج لایهاشي میباشد.

با افزایمیدان مغناطیسی اختلاف زمان تونلزنی دو ساختار به طورچشمگیري بیشتر میشود، همچنینفروديبا افزایش انرژيالکترونها، اختلاف زمان تونلزنی در دو ساختار کاهش مییابد.تفاوت در طرز رفتار زمان تونلزنی در دو ساختار ناشی از تفاوتدر ترازهاي تشدیدي آنها میباشد. هنگامیکه انرژيهايالکترونفرودي با ترازهاي تشدیدي برابر میشود، تونلزنی تشدیدي رخمیدهد، در این حالت ضریب عبور الکترونها ماکزیمم و زمانتونلزنی مینیمم میشود. این خصوصیت به طور آشکارتري براي

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید