自旋電子學課件

Ch4自旋電子學本講（2學時）內(nèi)容重點：（1）基本問題自旋的注入、輸運和檢測（2）注入的障礙Ch4自旋電子學本講（2學時）內(nèi)容重點：1設想的自旋場效應晶體管

基本問題（比較MOSFET）源------自旋注入通道---自旋傳輸漏------自旋檢測門------自旋控制門電壓產(chǎn)生“等效磁場”(自旋軌道），影響自旋進動改變“漏”電流設想的自旋場效應晶體管基本問題2基本問題的含義（1）（1）自旋注入

“使傳導電子自旋極化”即產(chǎn)生非平衡的自旋電子（占有數(shù)）

n↑

≠n↓

方法之一，光學技術。光取向或光抽運。方法之二，電學自旋注入。（便于器件的應用）

基本問題的含義（1）（1）自旋注入3基本問題的含義（2）（2）自旋傳輸

自旋電流從FM電極注入半導體，會在界面和半導體內(nèi)產(chǎn)生“累積”自旋弛豫機制會使得自旋的非平衡轉(zhuǎn)向平衡。

這個特征時間大約是幾十納秒，足夠長?。?）自旋檢測自旋狀態(tài)的改變。

基本問題的含義（2）（2）自旋傳輸4三種自旋注入實驗

工作方式實驗器件優(yōu)點困難1電注―電檢FM/Semic結(jié)電方案效率低2電注―光檢磁性半導體多層電方案低溫3光生―光檢GaAs/ZnSe實驗室易實現(xiàn)不易應用三種自旋注入實驗工作方式實驗器件優(yōu)點困難1電注―電檢FM/5（1）電注入―電檢測

（之一）FM/Semic界面早期：效率太低，<1％P.R.Hammaretal，PRL83，203（1999）S.Gardelis,etal,PRB60,7764(1999)（1）電注入―電檢測（之一）FM/Semic界面6（1）電注入―電檢測

（之二）

近期：FM－肖特基勢壘－SC，據(jù)稱效率達到30％。別人尚未重復！A.T.Hanbickia)etalAPL80，1240（2002）（1）電注入―電檢測（之二）近期：7（2）電注入―光檢測（之一）實驗：磁性半導體電注入和偏振光檢測

(Nature402(1999)790;ibid.408(2000)944)產(chǎn)生：

P型－(Ga,Mn)As

的自旋極化空穴和N型－GaAs的非極化電子進入InGaAs量子阱復合，

產(chǎn)生極化的場致發(fā)光。（T=6K;H=1,000Oe）檢測：偏振光檢測（2）電注入―光檢測（之一）實驗：磁性半導體電注入和偏振8（2）電注入―光檢測（之二）

場致發(fā)光強度（左）極化度（右）（2）電注入―光檢測（之二）場致發(fā)光強度（左）9（3）光產(chǎn)生―光檢測（之一）

WolfSAAwschalometal，Science，2001，294，1488強激光Pump在半導體中，產(chǎn)生了Spin-polarizedstate,此時的半導體等效于”磁體”.可以用Farady-Kerr效應做光檢測Probe.（3）光產(chǎn)生―光檢測（之一）WolfSAAwscha10（3）光產(chǎn)生―光檢測（之二）

（3）光產(chǎn)生―光檢測（之二）11Schmidt“障礙”電注入的問題在那里？

“從鐵磁金屬直接發(fā)射電子到半導體中”?！斑@種自旋注入方式，面臨一個基本障礙。那就是這兩種材料之間的電導失配?！盨chmidt“障礙”電注入的問題在那里？12Schmidt的計算模型（1）

結(jié)構：FM金屬（1）//半導體（2）

//FM金屬（3）

第一界面，為

X＝0，第二界面，為X＝X0

兩流體模型！Schmidt的計算模型（1）結(jié)構：13Schmidt的計算模型（2）簡化：1維問題（垂直界面方向）任務：首先，計算各個區(qū)域的“化學勢”和“自旋極化電流”其次，計算半導體區(qū)域電流的“自旋注入的效率”

問題：電流、化學勢、邊條件、電導率失配？Schmidt的計算模型（2）簡化：1維問題（垂直界14Schmidt的計算模型（3）

自旋極化率定義其中，分別為FM，SC，F(xiàn)M對于注入?yún)^(qū)（鐵磁金屬）的自旋極化電流，計算，接收區(qū)（半導體）自旋極化的電流注意：電流密度是材料、自旋和坐標的函數(shù)。Schmidt的計算模型（3）自旋極化率定義15Schmidt的計算模型（4）需要，計算“自旋相關的”電流密度

。自旋極化電流服從Ohm定律其中，σ↑↓是兩種自旋的電導率，*注意，電流密度與化學勢的斜率成比例（?。㏒chmidt的計算模型（4）需要，計算“自旋相關的”電流密16Schmidt的計算模型（5）為此，先要計算“自旋相關的”化學勢?；瘜W勢服從擴散方程

Schmidt的計算模型（5）為此，先要計算“自旋相關的”化17Schmidt的計算模型（6）求解擴散方程

對于鐵磁材料區(qū)，化學勢的形式解是：這里，i＝1，3。X1＝0；X3＝X0。＋（－）分別對應1，3。Schmidt的計算模型（6）求解擴散方程18Schmidt的計算模型（7）求解擴散方程（續(xù)）對于半導體材料區(qū)，化學勢的形式解是：形式解的意義：電流密度與位置（X坐標）無關。代入擴散方程，利用邊界條件求解Schmidt的計算模型（7）求解擴散方程（續(xù)）19Schmidt的計算模型（8）代入擴散方程和Ohm定律，利用邊界條件求解：電流連續(xù)：

電荷守恒：化學勢相等

化學勢相等Schmidt的計算模型（8）代入擴散方程和Ohm定律，20Schmidt的計算模型（9）得到了和的方程，如下半導體區(qū)域的電流自旋極化度Schmidt的計算模型（9）得到了21Schmidt的計算模型（10）計算結(jié)果半導體區(qū)的電流密度“自旋極化率”Schmidt的計算模型（10）計算結(jié)果22Schmidt的計算模型（11）

數(shù)值結(jié)果分析（材料因子分子小分母大）FM自旋極化

βFM自旋擴散長度半導體厚度二者之比60％10納米1000納米10－280％100納米10納米？？10SC電導FM電導二者之比材料因子自旋極化率110＋310－310－52×10－5110＋310－310－21×10－2Schmidt的計算模型（11）

數(shù)值結(jié)果分析（材料因子分子23理解Schmidt“障礙”鐵磁金屬的電導是半導體電導的1000倍！

鐵磁金屬中載流子濃度約半導體中少數(shù)載流子濃度僅僅盡管，鐵磁金屬中遷移率遠小于半導體再一次表現(xiàn)出矛盾：鐵磁有序――需要高濃度電子電子輸運――需要低濃度電子理解Schmidt“障礙”鐵磁金屬的電導是半導體電導的124

鐵磁金屬半導體金屬比半導體1載流子濃度高6－7個量級2遷移率10（？）低2－3個量級3電導

<10高3－4個量級4平均自由程λ20nm200－2000納米低1個量級5自旋擴散長度Ls100納米1微米低1個量級鐵磁金屬半導體金屬比半導體1載流子濃度高6－7個量級2遷移25引言部分的全金屬晶體管問題（之一）制造的困難比較半導體SiP－N結(jié)

勢壘電壓，N施主濃度，p－受主濃度結(jié)的勢壘寬度濃度N（量級/立方厘米）14161820勢壘寬度X（納米）3100310313?引言部分的全金屬晶體管問題（之一）制造的困難26引言部分的全金屬晶體管問題（之二）(2)電流放大倍數(shù)ββ＝相應的集電極電流變化/基極電流的變化β≈（載流子的擴散長度/基區(qū)有效寬度）的平方平均自由程≈20納米，基區(qū)有效寬度>100納米結(jié)論：β不可能大于1。即，沒有效益。（半導體擴散長度>基區(qū)有效寬度)引言部分的全金屬晶體管問題（之二）(2)電流放大倍數(shù)27Rashba的解決“方案”RashbaPRB62,R16267(2000)建議的結(jié)構為，F(xiàn)M－隧道結(jié)－SC海軍實驗室Rashba的解決“方案”RashbaPRB62,R28進展成功：光注入―光檢測；電注入―光檢測；試驗：電注入―電檢測（1）自旋注入

FM－肖特基位壘－半導體，自旋極化度30％（有待重復？）（2）自旋弛豫時間

GaAs中，達到幾百納秒，

Si的價值很大，弛豫時間也有10納秒。下圖進展成功：光注入―光檢測；電注入―光檢測；29弛豫時間長

電子濃度低

（半導體）弛豫時間長

電子濃度低

（半導體）30進展（續(xù)）（3）磁性半導體繼續(xù)提高居里點和遷移率。（4）檢測技術電子自旋感應核子自旋，導致NMR信號的改變。（5）電場控制FM。靠門電壓改變載流子密度可以控制（In，Mn）As中磁化強度的反轉(zhuǎn)。開辟了電控自旋電子學