自旋电子学课件

Ch4自旋电子学本讲（2学时）内容重点：（1）基本问题自旋的注入、输运和检测（2）注入的障碍Ch4自旋电子学本讲（2学时）内容重点：1设想的自旋场效应晶体管

基本问题（比较MOSFET）源------自旋注入通道---自旋传输漏------自旋检测门------自旋控制门电压产生“等效磁场”(自旋轨道），影响自旋进动改变“漏”电流设想的自旋场效应晶体管基本问题2基本问题的含义（1）（1）自旋注入

“使传导电子自旋极化”即产生非平衡的自旋电子（占有数）

n↑

≠n↓

方法之一，光学技术。光取向或光抽运。方法之二，电学自旋注入。（便于器件的应用）

基本问题的含义（1）（1）自旋注入3基本问题的含义（2）（2）自旋传输

自旋电流从FM电极注入半导体，会在界面和半导体内产生“累积”自旋弛豫机制会使得自旋的非平衡转向平衡。

这个特征时间大约是几十纳秒，足够长！（3）自旋检测自旋状态的改变。

基本问题的含义（2）（2）自旋传输4三种自旋注入实验

工作方式实验器件优点困难1电注―电检FM/Semic结电方案效率低2电注―光检磁性半导体多层电方案低温3光生―光检GaAs/ZnSe实验室易实现不易应用三种自旋注入实验工作方式实验器件优点困难1电注―电检FM/5（1）电注入―电检测

（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）电注入―电检测（之一）FM/Semic界面6（1）电注入―电检测

（之二）

近期：FM－肖特基势垒－SC，据称效率达到30％。别人尚未重复！A.T.Hanbickia)etalAPL80，1240（2002）（1）电注入―电检测（之二）近期：7（2）电注入―光检测（之一）实验：磁性半导体电注入和偏振光检测

(Nature402(1999)790;ibid.408(2000)944)产生：

P型－(Ga,Mn)As

的自旋极化空穴和N型－GaAs的非极化电子进入InGaAs量子阱复合，

产生极化的场致发光。（T=6K;H=1,000Oe）检测：偏振光检测（2）电注入―光检测（之一）实验：磁性半导体电注入和偏振8（2）电注入―光检测（之二）

场致发光强度（左）极化度（右）（2）电注入―光检测（之二）场致发光强度（左）9（3）光产生―光检测（之一）

WolfSAAwschalometal，Science，2001，294，1488强激光Pump在半导体中，产生了Spin-polarizedstate,此时的半导体等效于”磁体”.可以用Farady-Kerr效应做光检测Probe.（3）光产生―光检测（之一）WolfSAAwscha10（3）光产生―光检测（之二）

（3）光产生―光检测（之二）11Schmidt“障碍”电注入的问题在那里？

“从铁磁金属直接发射电子到半导体中”。“这种自旋注入方式，面临一个基本障碍。那就是这两种材料之间的电导失配。”Schmidt“障碍”电注入的问题在那里？12Schmidt的计算模型（1）

结构：FM金属（1）//半导体（2）

//FM金属（3）

第一界面，为

X＝0，第二界面，为X＝X0

两流体模型！Schmidt的计算模型（1）结构：13Schmidt的计算模型（2）简化：1维问题（垂直界面方向）任务：首先，计算各个区域的“化学势”和“自旋极化电流”其次，计算半导体区域电流的“自旋注入的效率”

问题：电流、化学势、边条件、电导率失配？Schmidt的计算模型（2）简化：1维问题（垂直界14Schmidt的计算模型（3）

自旋极化率定义其中，分别为FM，SC，FM对于注入区（铁磁金属）的自旋极化电流，计算，接收区（半导体）自旋极化的电流注意：电流密度是材料、自旋和坐标的函数。Schmidt的计算模型（3）自旋极化率定义15Schmidt的计算模型（4）需要，计算“自旋相关的”电流密度

。自旋极化电流服从Ohm定律其中，σ↑↓是两种自旋的电导率，*注意，电流密度与化学势的斜率成比例（！）Schmidt的计算模型（4）需要，计算“自旋相关的”电流密16Schmidt的计算模型（5）为此，先要计算“自旋相关的”化学势。化学势服从扩散方程

Schmidt的计算模型（5）为此，先要计算“自旋相关的”化17Schmidt的计算模型（6）求解扩散方程

对于铁磁材料区，化学势的形式解是：这里，i＝1，3。X1＝0；X3＝X0。＋（－）分别对应1，3。Schmidt的计算模型（6）求解扩散方程18Schmidt的计算模型（7）求解扩散方程（续）对于半导体材料区，化学势的形式解是：形式解的意义：电流密度与位置（X坐标）无关。代入扩散方程，利用边界条件求解Schmidt的计算模型（7）求解扩散方程（续）19Schmidt的计算模型（8）代入扩散方程和Ohm定律，利用边界条件求解：电流连续：

电荷守恒：化学势相等

化学势相等Schmidt的计算模型（8）代入扩散方程和Ohm定律，20Schmidt的计算模型（9）得到了和的方程，如下半导体区域的电流自旋极化度Schmidt的计算模型（9）得到了21Schmidt的计算模型（10）计算结果半导体区的电流密度“自旋极化率”Schmidt的计算模型（10）计算结果22Schmidt的计算模型（11）

数值结果分析（材料因子分子小分母大）FM自旋极化

βFM自旋扩散长度半导体厚度二者之比60％10纳米1000纳米10－280％100纳米10纳米？？10SC电导FM电导二者之比材料因子自旋极化率110＋310－310－52×10－5110＋310－310－21×10－2Schmidt的计算模型（11）

数值结果分析（材料因子分子23理解Schmidt“障碍”铁磁金属的电导是半导体电导的1000倍！

铁磁金属中载流子浓度约半导体中少数载流子浓度仅仅尽管，铁磁金属中迁移率远小于半导体再一次表现出矛盾：铁磁有序――需要高浓度电子电子输运――需要低浓度电子理解Schmidt“障碍”铁磁金属的电导是半导体电导的124

铁磁金属半导体金属比半导体1载流子浓度高6－7个量级2迁移率10（？）低2－3个量级3电导

<10高3－4个量级4平均自由程λ20nm200－2000纳米低1个量级5自旋扩散长度Ls100纳米1微米低1个量级铁磁金属半导体金属比半导体1载流子浓度高6－7个量级2迁移25引言部分的全金属晶体管问题（之一）制造的困难比较半导体SiP－N结

势垒电压，N施主浓度，p－受主浓度结的势垒宽度浓度N（量级/立方厘米）14161820势垒宽度X（纳米）3100310313?引言部分的全金属晶体管问题（之一）制造的困难26引言部分的全金属晶体管问题（之二）(2)电流放大倍数ββ＝相应的集电极电流变化/基极电流的变化β≈（载流子的扩散长度/基区有效宽度）的平方平均自由程≈20纳米，基区有效宽度>100纳米结论：β不可能大于1。即，没有效益。（半导体扩散长度>基区有效宽度)引言部分的全金属晶体管问题（之二）(2)电流放大倍数27Rashba的解决“方案”RashbaPRB62,R16267(2000)建议的结构为，FM－隧道结－SC海军实验室Rashba的解决“方案”RashbaPRB62,R28进展成功：光注入―光检测；电注入―光检测；试验：电注入―电检测（1）自旋注入

FM－肖特基位垒－半导体，自旋极化度30％（有待重复？）（2）自旋弛豫时间

GaAs中，达到几百纳秒，

Si的价值很大，弛豫时间也有10纳秒。下图进展成功：光注入―光检测；电注入―光检测；29弛豫时间长

电子浓度低

（半导体）弛豫时间长

电子浓度低

（半导体）30进展（续）（3）磁性半导体继续提高居里点和迁移率。（4）检测技术电子自旋感应核子自旋，导致NMR信号的改变。（5）电场控制FM。靠门电压改变载流子密度可以控制（In，Mn）As中磁化强度的反转。开辟了电控自旋电子学