自旋电子学自旋电子学ch5自旋注入效应和 自旋晶体管 电子是电子是电荷电荷与与自旋自旋的统一载体的统一载体两类两类自旋自旋：：Spin-up 和和 Spin-down-e-e 电荷输运：微电子学电荷输运：微电子学 自旋输运：自旋电子学，量子调控自旋输运：自旋电子学，量子调控 For L < sp, 两电流两电流模型模型, 纳米结构纳米结构概念回顾概念回顾 1) 以磁性金属和氧化物为主的以磁性金属和氧化物为主的磁电子学磁电子学 物理基础：巨磁电阻和自旋输运物理基础：巨磁电阻和自旋输运2) 以磁性半导体为主的以磁性半导体为主的自旋电子学自旋电子学 自旋注入、输运、检测自旋注入、输运、检测3) 量子计算量子计算 Based on the spin Hall effect 自旋电子学发展的三个阶段自旋电子学发展的三个阶段 概念回顾概念回顾 物理基础：物理基础：磁电阻效应磁电阻效应 MR (GMR, TMR, CMR 外加磁场导致样品电阻的外加磁场导致样品电阻的巨大巨大变化变化A. 全金属磁性纳米结构全金属磁性纳米结构 的的 GMR Fe/(Cr/Fe) n 1988年年 Co-Cu颗粒系统颗粒系统 1992年年B. 隧穿磁电阻隧穿磁电阻 （（Tunneling MR）） FM/I/FM 隧道结隧道结 1995年年 隧穿型纳米结构隧穿型纳米结构 1996年年C. 钙钛矿结构锰氧化物的庞磁电阻钙钛矿结构锰氧化物的庞磁电阻 Colossal MR (CMR) 1993年年阶段一：磁电子学阶段一：磁电子学 n具有双稳磁化状态的纳米尺度磁性单元，可以与具有双稳磁化状态的纳米尺度磁性单元，可以与数字电子器件相集成而实现全新的功能。
如利用数字电子器件相集成而实现全新的功能如利用自旋阀和磁隧道结可以实现自旋阀和磁隧道结可以实现MRAM器件阶段一：磁电子学阶段一：磁电子学 n由于铁磁金属由于铁磁金属3d能带的劈裂，导致自旋向上和自旋能带的劈裂，导致自旋向上和自旋向下子带在费米面上状态密度的不同，从而导致自向下子带在费米面上状态密度的不同，从而导致自旋极化电流的形成旋极化电流的形成阶段一：磁电子学阶段一：磁电子学 阶段一：磁电子学阶段一：磁电子学nElectrons carrying a current in F could maintaintheir spin orientation when they are transported out of F and into a nonmagnetic material N, and that the spin coherence length in nonmagnetic metals is long. 阶段一：磁电子学阶段一：磁电子学Current 阶段一：磁电子学阶段一：磁电子学 关键问题：半导体中的自旋注入关键问题：半导体中的自旋注入 A. 稀磁半导体稀磁半导体 e.g. GaAsMn B. 自旋注入进非磁半导体自旋注入进非磁半导体: b1) 铁磁金属铁磁金属/非磁半导体非磁半导体 自旋注入效率低自旋注入效率低 b2) 稀磁半导体稀磁半导体/非磁半导体非磁半导体 居里温度低居里温度低 C. Rashba spin-orbit interations阶段二：自旋电子学阶段二：自旋电子学 自旋流自旋流 (spin current)the charge currentthe spin currentIf the currents of electrons for different spins are not equal. In particular, when Dissipationless Quantum Spin Current ( Science 2003)Spin Hall Current ( PRL 2004)GMR and TMR ( PRL 1988, 1995) 设想的自旋场效应晶体管设想的自旋场效应晶体管 基本问题（比较基本问题（比较MOSFET））源源------自旋注入自旋注入通道通道---自旋传输自旋传输漏漏------自旋检测自旋检测门门------自旋控制自旋控制门电压产生门电压产生“等效等效磁场磁场”(自旋轨道），自旋轨道）， 影响自旋进动影响自旋进动改变改变 “漏漏”电流电流 基本问题的含义（基本问题的含义（1））（1）自旋注入自旋注入 “使传导电子自旋极化使传导电子自旋极化” 即产生即产生非平衡的自旋电子（占有数）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）方法之二，电学自旋注入便于器件的应用） 基本问题的含义（基本问题的含义（2））（（2））自旋传输自旋传输 自旋电流从自旋电流从FM电极注入半导体，电极注入半导体， 会在界面和半导体内产生会在界面和半导体内产生“累积累积” 自旋弛豫机制自旋弛豫机制 会使得自旋的非平衡转向平衡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！这个特征时间大约是几十纳秒，足够长！（（3））自旋检测自旋检测 自旋状态的改变自旋状态的改变 三种自旋注入实验三种自旋注入实验 工作方式工作方式实验器件器件优点点困困难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 （（1）电注入）电注入―电检测电检测 （之一）（之一）FM/ Semic 界面 早期：效率太低，早期：效率太低，<1％％P. R. Hammar et al，PRL 83，203（1999）S. Gardelis, et al, PRB 60,7764 (1999) 近期：近期：FM－肖特基势垒－－肖特基势垒－SC，， 据称效率据称效率达到达到 30％。
％A. T. Hanbickia) et al APL 80，，1240 （（2002））（（1）电注入）电注入―电检测电检测 （之二）（之二） （（2）电注入）电注入―光检测（之一）光检测（之一）实验：磁性半导体电注入实验：磁性半导体电注入 和和 偏振光检测偏振光检测 (Nature 402 (1999)790; ibid. 408 (2000)944)产生：产生： P型－型－(Ga,Mn)As 的自旋极化和N型－型－GaAs的非极化电子空穴进入InGaAs量子阱复合, 产生极化的场致发光产生极化的场致发光. （T=6K; H=1,000 Oe） 检测检测：偏振光检测偏振光检测 （（2）电注入）电注入―光检测（之二）光检测（之二） 场致发光强度（左）场致发光强度（左）极化度（右）极化度（右） （（3）光产生）光产生―光检测（之一）光检测（之一） Wolf S A Awschalom et al， Science，2001，294，1488强激光强激光Pump在半导体中，在半导体中，产生了产生了 Spin-polarized state, 此时的半导体等效于此时的半导体等效于”磁体磁体”. 可以用可以用Farady-Kerr 效应做光检测效应做光检测Probe. （（3）光产生）光产生―光检测（之二）光检测（之二） Schmidt “障碍障碍”电注入的问题在那里？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那就是这两种材料之间的电导失配 Schmidt的计算模型的计算模型 （（1）） 结构：结构：FM金属（金属（1））// 半导体（半导体（2）） // FM 金属（金属（3）） 第一界面， 为 X＝＝ 0，，第二界面， 为 X＝＝ X0 两流体模型！两流体模型！ Schmidt的计算模型（的计算模型（2））简化：简化： 1维问题维问题 （垂直界面方向）任务：任务： 首先，计算各个区域的首先，计算各个区域的“化学势化学势” 和和“自旋极化电流自旋极化电流” 其次，计算半导体区域电流的其次，计算半导体区域电流的 “自旋注入的效率自旋注入的效率” 问题：电流、化学势、边条件、电导率失配？问题：电流、化学势、边条件、电导率失配？ Schmidt的计算模型（的计算模型（3）） 自旋极化率定义自旋极化率定义其中，其中， 分别为分别为 FM，，SC，，FM对于注入区（铁磁金属）的自旋极化电流，对于注入区（铁磁金属）的自旋极化电流， 计算，接收区（半导体）自旋极化的电流计算，接收区（半导体）自旋极化的电流注意：电流密度注意：电流密度 是材料、自旋和坐标的函数。
是材料、自旋和坐标的函数 Schmidt的计算模型（的计算模型（4））需要，计算需要，计算“自旋相关的自旋相关的”电流密度电流密度 自旋极化电流服从自旋极化电流服从Ohm定律定律其中，其中，σ↑↓是两种自旋的电导率，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（！）注意，电流密度与化学势的斜率成比例（！） Schmidt的计算模型（的计算模型（5））为此，先要计算为此，先要计算“自旋相关的自旋相关的”化学势化学势 化学势服从扩散方程化学势服从扩散方程 Schmidt的计算模型（的计算模型（6））求解扩散方程求解扩散方程 对于铁磁材料区，化学势的形式解是：对于铁磁材料区，化学势的形式解是： 这里，这里，i＝＝1，，3X1＝＝ 0；； X3＝＝ X0 ＋（－）分别对应＋（－）分别对应 1，，3 Schmidt的计算模型（的计算模型（7））求解扩散方程（续）求解扩散方程（续）对于半导体材料区，化学势的形式解是：对于半导体材料区，化学势的形式解是：形式解的意义：形式解的意义： 电流密度与位置（电流密度与位置（X 坐标）无关。
坐标）无关代入扩散方程，利用边界条件求解代入扩散方程，利用边界条件求解 Schmidt的计算模型（的计算模型（8））代入扩散方程和代入扩散方程和Ohm定律，定律，利用边界条件求解：利用边界条件求解：电流连续电流连续：： 电荷守恒电荷守恒：： 化学势相等化学势相等 化学势相等化学势相等 Schmidt的计算模型（的计算模型（9））得到了得到了 和和 的方程，如下的方程，如下半导体区域的半导体区域的 电流自旋极化度电流自旋极化度 Schmidt的计算模型（的计算模型（10））计算结果计算结果半导体区的电流密度半导体区的电流密度“自旋极化率自旋极化率”材料因子材料因子FM自旋扩散长度自旋扩散长度半导体厚度半导体厚度半导体电导半导体电导铁磁层电导铁磁层电导 Schmidt的计算模型（的计算模型（11））数值结果分析（材料因子分子小分母大）数值结果分析（材料因子分子小分母大）FM自旋极化自旋极化 βFM自旋扩散长度自旋扩散长度半导体厚度半导体厚度二者之比二者之比60％％ 10纳米纳米1000纳米纳米10－－280％％100纳米纳米10纳米？？纳米？？10SC电电导导 FM电导电导 二者之二者之比比 材料因子材料因子自旋极化自旋极化率率110＋＋310－－310－－52×10－－5110＋＋310－－310－－21×10－－2 理解理解Schmidt “障碍障碍”铁磁金属的电导是铁磁金属的电导是 半导体电导的半导体电导的1000倍！倍！ 铁磁金属中载流子浓度铁磁金属中载流子浓度 约约 半导体中少数载流子浓度仅仅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尽管，铁磁金属中迁移率远小于半导体 再一次表现出矛盾：再一次表现出矛盾： 铁磁有序铁磁有序――需要高浓度电子需要高浓度电子 电子输运电子输运――需要低浓度电子需要低浓度电子 铁磁金属磁金属半半导体体金属比半金属比半导体体1载流子浓度载流子浓度高高6－－7个量个量级2迁移率迁移率10（？）（？）低低2－－3个量个量级3电导电导 < 10高高3－－4个量个量级4平均自由程平均自由程λλ20nm200－－2000纳米米低低1 个量个量级5自旋自旋扩散散长度度Ls100纳米米1微米微米低低1个量个量级理解理解Schmidt “障碍障碍” 引言部分的引言部分的 全金属晶体管问题（之一）全金属晶体管问题（之一）(1)制造的困难制造的困难 比较半导体比较半导体Si P－－N结结 势垒电压势垒电压 ，， N施主浓度施主浓度 ，， p－受主浓度－受主浓度 结的势垒宽度结的势垒宽度 浓度度N （量（量级/ 立方厘米）立方厘米）14161820势垒宽度度X （（纳米）米）310031031 3 引言部分的引言部分的 全金属晶体管问题（之二）全金属晶体管问题（之二）(2) 电流放大倍数电流放大倍数 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不可能大于不可能大于 1。
即，没有效没有效 益益 （半导体扩散长度 > 基区有效宽度 ) Rashba的解决的解决“方案方案”Rashba PRB 62, R16267 (2000)建议的结构为，建议的结构为，FM－隧道结－－隧道结－SC海军实验室海军实验室 进展进展成功：光注入成功：光注入―光检测；光检测； 电注入电注入―光检测；光检测；试验：电注入试验：电注入―电检测电检测（（1）自旋注入）自旋注入 FM－肖特基位垒－半导体，－肖特基位垒－半导体， 自旋极化度自旋极化度 30％％（（2）自旋弛豫时间）自旋弛豫时间 GaAs中，达到中，达到 几百纳秒，几百纳秒， Si的价值很大，弛豫时间也有的价值很大，弛豫时间也有 10 纳秒下图下图 弛豫时间长弛豫时间长电子浓度低电子浓度低（半导体）（半导体） 进展（续）进展（续）（（3）磁性半导体）磁性半导体 继续提高居里点和迁移率继续提高居里点和迁移率4）检测技术）检测技术 电子自旋感应核子自旋，导致电子自旋感应核子自旋，导致NMR信号的改变信号的改变5）电场控制）电场控制FM。
靠门电压改变载流子密度靠门电压改变载流子密度 可以控制可以控制 （（In，， Mn））As中磁化强度的反转中磁化强度的反转 开辟了电控自旋电子学器件的可能性开辟了电控自旋电子学器件的可能性。