【大學(xué)課件】自旋電子學(xué)

1、ch 4 自旋電子學(xué)本講（2學(xué)時(shí)）內(nèi)容重點(diǎn)：（1）基本問題： 自旋的注入、輸運(yùn)和檢測(cè)（2）鐵磁/半導(dǎo)體結(jié)注入方式的困難（3）自旋hall效應(yīng)(新) (物理所,理論研究者)http:/ ）自旋極化：自旋向上與向下電子數(shù)不等。調(diào)控自旋極化的電流：注入、放大、 、檢測(cè)?；貞洠喊雽?dǎo)體mos中 電流的“源”、“漏”和控制“門電極”下圖：設(shè)想的一種自旋晶體管 http:/ 1）基本問題）基本問題1,自旋注入自旋注入 “使傳導(dǎo)電子自旋極化使傳導(dǎo)電子自旋極化” 即產(chǎn)生即產(chǎn)生非平衡的自旋電子（占有數(shù)）非平衡的自旋電子（占有數(shù)） n n 方法之一，光學(xué)技術(shù)。光取向或光抽運(yùn)。方法之一，光學(xué)技術(shù)。光取向或光抽運(yùn)。 方

2、法之二，電學(xué)自旋注入。（便于器件的應(yīng)用）方法之二，電學(xué)自旋注入。（便于器件的應(yīng)用） http:/ 自旋電流從自旋電流從fm電極注入半導(dǎo)體，電極注入半導(dǎo)體， 會(huì)在界面和半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生會(huì)在界面和半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生“累積累積” 自旋弛豫機(jī)制自旋弛豫機(jī)制 會(huì)使得自旋的非平衡轉(zhuǎn)向平衡會(huì)使得自旋的非平衡轉(zhuǎn)向平衡。 這個(gè)特征時(shí)間大約是幾十納秒，足夠長！這個(gè)特征時(shí)間大約是幾十納秒，足夠長！3,自旋檢測(cè)自旋檢測(cè) 自旋狀態(tài)的改變。自旋狀態(tài)的改變。 http:/ 工作方式工作方式實(shí)驗(yàn)器件實(shí)驗(yàn)器件優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)困難困難1電注電檢fm/semic 結(jié)電方案效率低2電注光檢磁性半導(dǎo)體多層 電方案低溫3光生光檢gaas/znse實(shí)驗(yàn)室易

3、實(shí)現(xiàn)不易應(yīng)用http:/ 鐵磁/半導(dǎo)體結(jié) 早期：效率太低，早期：效率太低，p. r. hammar et al，prl 83，203（1999）s. gardelis, et al, prb 60,7764 (1999)http:/ 445（jan 2007）410413 lsmo 33 . 07 . 0mnosrlahttp:/ ktrrrmrppap5%,61/？http:/ 和 偏振光檢測(cè)產(chǎn)生：產(chǎn)生： p p型型(ga,mn)as(ga,mn)as 的自旋極化空穴 和n n型型gaasgaas的非極化電子 進(jìn)入ingaasingaas量子阱復(fù)合， 產(chǎn)生極化的場(chǎng)致發(fā)光。產(chǎn)生極化的場(chǎng)致發(fā)光。

4、 （t=6k; h=1,000 oe） 檢測(cè)檢測(cè)：偏振光檢測(cè)偏振光檢測(cè)http:/ 場(chǎng)致發(fā)光強(qiáng)度（左）極化度（右）http:/ 強(qiáng)激光強(qiáng)激光pump在半導(dǎo)體中，在半導(dǎo)體中，產(chǎn)生了產(chǎn)生了 spin-polarized state, 此時(shí)的半導(dǎo)體等效于此時(shí)的半導(dǎo)體等效于”磁體磁體”. 可以用可以用farady-kerr 效應(yīng)效應(yīng)做光檢測(cè)做光檢測(cè)probe.http:/ http:/ 2）鐵磁）鐵磁/ /半導(dǎo)體結(jié)注入方式的困難半導(dǎo)體結(jié)注入方式的困難電注入的問題在那里？電注入的問題在那里？ “從鐵磁金屬直接發(fā)射電子到半導(dǎo)體中從鐵磁金屬直接發(fā)射電子到半導(dǎo)體中”?！斑@種自旋注入方式，面臨一個(gè)基本障礙。這種

5、自旋注入方式，面臨一個(gè)基本障礙。那就是這兩種材料之間的電導(dǎo)失配。那就是這兩種材料之間的電導(dǎo)失配?！?(,2fenmeejhttp:/ （1） 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：fm金屬（金屬（1）/ 半導(dǎo)體（半導(dǎo)體（2） / fm 金屬（金屬（3） 第一界面， 為 x 0，第二界面， 為 x x0 兩流體模型！兩流體模型！http:/ 1維問題維問題 （垂直界面方向）任務(wù)：任務(wù)： 首先，計(jì)算各個(gè)區(qū)域的首先，計(jì)算各個(gè)區(qū)域的“化學(xué)勢(shì)化學(xué)勢(shì)” 和和“自旋極化電流自旋極化電流” 其次，計(jì)算半導(dǎo)體區(qū)域電流的其次，計(jì)算半導(dǎo)體區(qū)域電流的 “自旋注入的效率自旋注入的效率” 問題：電流、化學(xué)勢(shì)、邊條件、電導(dǎo)率失配？問題：電流、化學(xué)勢(shì)

6、、邊條件、電導(dǎo)率失配？http:/ 3） 自旋極化率定義其中， 分別為 fm，sc，fm對(duì)于注入?yún)^(qū)（鐵磁金屬）的自旋極化電流， 計(jì)算，接收區(qū)（半導(dǎo)體）自旋極化的電流注意：注意：電流密度 是材料、自旋和坐標(biāo)的函數(shù)。)()()()()(xjxjxjxjxiiiii3 , 2 , 1i)(xjihttp:/ 。自旋極化電流服從ohmohm定律定律其中，是兩種自旋的電導(dǎo)率，*注意，電流密度與化學(xué)勢(shì)的斜率成比例（?。?(xj,ejxhttp:/ ?；瘜W(xué)勢(shì)服從化學(xué)勢(shì)服從擴(kuò)散方程擴(kuò)散方程 22)(xdfs,http:/ 對(duì)于鐵磁材料區(qū)，鐵磁材料區(qū)，化學(xué)勢(shì)的形式解是： 這里，i1，3。x1 0； x3 x0。

7、 （）分別對(duì)應(yīng) 1，3 。)/ )(exp,0*,0,fmiiiiiixxchttp:/ 電流密度與位置（x 坐標(biāo)）無關(guān)。代入擴(kuò)散方程，利用邊界條件求解xx,1,2)0()(const,http:/ 電荷守恒電荷守恒： 化學(xué)勢(shì)相等 化學(xué)勢(shì)相等0 x,21 jj21jj0 xx ,32 jj,32 jj0 x0 xx http:/ 和 的方程，如下半導(dǎo)體區(qū)域的半導(dǎo)體區(qū)域的 電流自旋極化度電流自旋極化度cg)()(41 (cg)(41 ()()()(2http:/ 12(2fmscfmscfmfmxxhttp:/ fm自旋擴(kuò)散長度半導(dǎo)體厚度二者之比二者之比60 10納米1000納米10280100

8、納米10納米？100 xscfmfmsc電導(dǎo) fm電導(dǎo) 二者之比二者之比 材料因子自旋極化率自旋極化率11031031052105110310310211020 x2fmscfmhttp:/ “障礙障礙”鐵磁金屬的電導(dǎo)是鐵磁金屬的電導(dǎo)是 半導(dǎo)體電導(dǎo)的半導(dǎo)體電導(dǎo)的10001000倍！倍！ 鐵磁金屬中載流子濃度 約 半導(dǎo)體中少數(shù)載流子濃度僅僅 盡管，鐵磁金屬中遷移率遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體 再一次表現(xiàn)出矛盾： 鐵磁有序需要高濃度電子 電子輸運(yùn)需要低濃度電子322/10cm316/10cmhttp:/ 鐵磁金屬半導(dǎo)體金屬比半導(dǎo)體1載流子濃度高高6 67 7個(gè)量級(jí)個(gè)量級(jí)2遷移率10（？）低低2 23 3個(gè)量級(jí)個(gè)量

9、級(jí)3電導(dǎo) 10高高3 34 4個(gè)量級(jí)個(gè)量級(jí)4平均自由程20nm2002000納米低1 個(gè)量級(jí)5自旋擴(kuò)散長度ls100納米1微米低1個(gè)量級(jí)2221105101 cmohmhttp:/ 3）自旋）自旋hallhall效應(yīng)效應(yīng) （science 301，1348（2003）；physrevlett92,126603(2004)） 理論分析指出：理論分析指出： 很多半導(dǎo)體的載流子都具有自旋軌道耦合作用。 如果 在該半導(dǎo)體上施加縱向電場(chǎng)，將會(huì)產(chǎn)生在該半導(dǎo)體上施加縱向電場(chǎng)，將會(huì)產(chǎn)生橫向自旋流橫向自旋流。 （即自旋向上和向下的電子分別沿橫向朝相反的方向流動(dòng)）。 這就會(huì)在橫向積累不同取向的自旋， 稱為自旋霍爾

10、效應(yīng)。http:/ 自旋hall效應(yīng)誘導(dǎo)出的自旋流可以用作自旋注入。 因?yàn)樽孕魇菑陌雽?dǎo)體中產(chǎn)生的， 所以不存在電導(dǎo)率不匹配的問題。 用這種方法得到的自旋輸運(yùn)可能是一種無耗散的過程。 需要經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)。 http:/ rashba（1984）的hamiltonian為 其中， 是rashba耦合常數(shù)， 是pauli矩陣， 是電子有效質(zhì)量， 是垂直于2des平面的單位矢量， 是動(dòng)量。mzphttp:/ 另一種寫法是 其中， 相當(dāng)于一個(gè)作用在自旋上的有效磁場(chǎng)。 比較普通hall效應(yīng)：電荷在磁場(chǎng)中受力 /)(spz)(/2pz)(bvefhttp:/ 動(dòng)量（綠色），在能量上有利在能量上有利?？磮D（a）自旋取向彼此相反。)()(pzpzhttp:/ 反方向加速， 在動(dòng)量空間產(chǎn)生漂移 動(dòng)量漂移導(dǎo)致rashba hamiltonian的變化這等價(jià)于在自旋上施加一個(gè)變化的有效力場(chǎng)。eexphhttp:/ 其中， 是自旋的方向， 是進(jìn)動(dòng)時(shí)受到的阻尼力。 （注意：矢量和力矩的作用。）nhttp:/ 可以證明，動(dòng)量空間漂移的結(jié)果是， 在自旋上受到一個(gè)“順時(shí)針”作用（力矩）