基本介紹
- 中文名：半導體自旋電子學
- 外文名：Semiconductor Spintronics
- 類別：電子器件
內容簡介,半導體自旋電子學的研究與套用進展,自旋的注入和檢測,半導體電子自旋的控制和操縱,半導體自旋電子學的最新研究進展,自旋電子的注入,自旋霍爾效應,
內容簡介
《半導體自旋電子學》介紹半導體自旋電子學的發展歷史、基本概念和研究成果，並展望了它未來的發展。引言介紹半導體自旋電子學的發展歷史。第1章介紹半導體中磁離子性質、磁離子在晶格場中的分裂以及基態、低激發態能級特點。第2章介紹稀磁半導體的性質、巨Zeeman分裂效應和光學性質。第3章介紹鐵磁半導體、鐵磁相互作用理論和影響居里溫度的因素。第4章介紹自旋電子的注入、Rashba效應、自旋通過異質界面的相干輸運及自旋極化電子注入的實驗和iN論。第5章介紹自旋弛豫、自旋反轉的3大機制：EY、DP和FIBAP機制以及自旋弛豫的實驗研究。第6～10章是研究專題，介紹一些最新的研究成果。第6章介紹Rashba—Dresselhaus效應的理論基礎和實驗測定。第7章是自旋的光學回響，包括自旋分裂系統中光注入電子自旋引發的自旋光電流和電場導致電子自旋極化等。第8章是自旋相干電子的操控，包括電子自旋相干及空間運動、自旋霍爾效應、自旋流的產生及半導體中的自旋動力學等。第9章是自旋極化電子和磁疇的輸運，包括磁性半導體二維電子氣和量子點中的自旋輸運、磁性半導體中的磁疇輸運等。第10章是半導體量子點和量子線的自旋性質調控。
半導體自旋電子學的研究與套用進展
自旋電子學是一門最新發展起來的涉及磁學、電子學以及信息學的交叉學科。自旋電子器件與普通半導體電子器件相比具有不揮發、低功耗和高集成度等優點。
自旋的注入和檢測
自旋注入和檢測是實現自旋電子器件最基本的條件，磁性材料/半導體界面的自旋注入是最基本的自旋注入結構。最大的問題是如何將一束高度自旋極化電流從磁性材料有效地注入到半導體中，並且自旋極化在注入過程中沒有大的損失。在室溫下特別有效地注入方法還沒出現。
1、歐姆式自旋注入
向半導體中注入自旋極化電流最直接的自旋注入結構，就是鐵磁材料/ 半導體形成歐姆接觸，由於在鐵磁材料中電子是自旋極化的，因此，希望能夠在半導體中注入自旋極化的電子。但是典型的金屬一半導體歐姆式接觸需要半導體表面重摻雜，這會引起載流子的自旋翻轉散射，造成自旋極化度的損失。鐵磁性金屬到半導體自旋極化的歐姆式注入的最好結果僅達到4.5%(<10K)。
2、隧道結自旋注入
通過鐵磁性/ 非磁性金屬結(FM/NM)和鐵磁性/ 超導金屬結(FM/SM)的自旋注入已為物理學家們所熟知。Alvarado等人利用有磁性針尖的掃描隧道顯微鏡(STM)時，發現真空的隧道結能夠有效地把自旋注入到半導體中。高阻抗的鐵磁/ 絕緣層/ 鐵磁結構也已經證實了隧穿過程中自旋極化可以保持，表明隧穿可能是比擴散輸運更有效的自旋注入方法。
3、熱電子自旋注入
這種注入方法是採用自旋極化的熱電子(能量遠大於EF)，通過一個隧道結注入到鐵磁層，注入熱電子的能量通過調節隧道結的偏壓來調節。當多數和少數自旋電子的非彈性平均自由程有很大的差異時，熱電子通過鐵磁金屬層(例如，1個3nm的Co層)就可以產生大於90%極化率的電子電流。按照界面處半導體和金屬的能帶結構所決定的傳輸幾率，高度極化的電流可以保留相當的一部分。如果界面處自旋翻轉散射較少，則進入半導體的彈道電流仍然是高度極化的。
4、自旋的檢測
自旋檢測有光學和電學檢測兩種方法。光學檢測方法是比較成熟的，也取得了很大的進展。光學方法最大的優點是可以避免其他電學效應的影響。電學檢測半導體內自旋極化的最直接的方法是利用半導體/鐵磁界面的自旋相關輸運性質。這種方案的收集電極採用歐姆接觸，仍然存在電導率失配的問題。看起來，仍然需要採用半導體/ 鐵磁的彈道接觸或者隧穿接觸。另外，勢壘還必須足夠薄，保證自旋極化電子能隧穿到鐵磁電極，否則將會在半導體內弛豫。
半導體電子自旋的控制和操縱
介紹了如何通過材料本身來控制和操縱自旋，在實際套用中，往往需要用光或電場來操縱自旋。非磁性半導體結構在外部光或電場作用下也能產生一些有趣的自旋相關現象。例如，當一個半導體量子阱在外部光作用下產生極化時，利用右和左圓周極化光的吸收變化，可以製成很快的光控開關 ;通過光學上提取左右圓周極化光的區別，將能實現超快光開關。
半導體自旋電子學研究的目標之一就是利用基於電子自旋與核自旋的長自旋相干時間的半導體器件來完成量子信息處理。用半導體製造量子計算機有很多好處，它們不僅本身是固態材料適於大規模集成，而且其維度可由量子限制來控制並能通過外加場(如光場、電場、磁場)控制各種性能。事實上，自旋量子計算機可能是量子計算固態實現中最有前途的，也是自旋電子學發展集大成的表現形式。
半導體自旋電子學的最新研究進展
自旋電子學起源於巨磁阻效應（GMR），已經成為凝聚態物理學領域的研究熱點，其中半導體自旋電子學是自旋電子學中人們所關注的一個重要領域。從磁性半導體、自旋電子的注入、檢測、輸運等方面綜述半導體自旋電子學的最新研究進展，並且指出半導體自旋電子學研究的重點及難點。
自旋電子的注入
製造自旋電子器件最關鍵的問題就是在不需要強磁場和室溫情況下如何把自旋極化電子從磁性半導體注入到非磁性半導體內。自旋電子的注入來源主要有稀磁半導體、鐵磁半導體以及鐵磁金屬，採用的注入方法主要有五種：歐姆注入法；隧道結注入法，彈道電子自旋注入、熱電子注入，此外用稀磁半導體也能向非磁半導體內注入自旋極化電子。
由於半導體表面是重摻雜，導致了自旋反轉的散射和自旋極化率的下降。因此歐姆注入法這種方法的自旋注入率很低。研究表明：用歐姆注入法最好的報導為4.5%的自旋極化注入效率。從Ni81Fe19薄膜向外延多層膜結構InAs形成的二維電子氣中注入的自旋電子藉助緊鄰的Ni81Fe19電極被探測到。在20k的溫度下，InAs中的電子的自旋擴散長度是1.8 。Ni81Fe19/InAs界面注入的電子自旋極化率為1.9%，甚至在室溫下仍保持在1.4%。Hanbick等製備了Fe/AlGaAs/GaAs半導體量子阱LED結構，實現從Fe到AlGaAs的自旋注入，注入效率可達30%因此，採用FM-絕緣層-半導體隧穿二極體或者是金屬/半導體Schottky勢壘二極體可能成為自旋電子注入到半導體的有效方法。從Fe（001）通過Fe/ZeSe界面形成的反偏壓肖特基隧穿勢壘注入到n型摻雜的Fe/ZeSe（001）中，自旋電子在n-ZeSe層輸運300nm後進入GaAs中複合，在溫度為20k，100k時測得電子的自旋極化率分別為55%和54%，GaAs中電子自旋極化率在20-100k範圍內與溫度無關。從Fe薄膜經Al2O3隧穿勢壘注入到Si（001）中，在5k溫度下Si中的電子自旋極化率下限為10%，估計值可達到30%，並且直到125k，Si中的電子自旋極化率仍有較大值。
自旋霍爾效應
在外加電場下，材料中的自旋向上的電子和自旋向下上的電子由於各自形成的磁場方向相反，會各自在材料的相反兩邊形成自旋積累，這就是自旋霍爾效應（spinhalleffect簡寫為SHE）。
除了自旋共振技術外，常利用電光效應和磁光效應，例如法拉第效應就是一種典型的磁光效應，通過測量法拉第角即可求出樣品中的磁矩，該技術的高靈敏度可以檢測由於外加橫向電場引起的小的自旋極化，此外早在1999年有人提出電測量方案，通過測量電勢差可求得樣品上的橫向自旋積累。這種方法實驗室已經實現，電流通過鉍時由於自旋霍爾效應在表面產生自旋積累，Ni81Fe19電極可探測到由自旋積累產生的化學勢，該實驗在3.0K下自旋霍爾效應電導率σSH和自旋注入率η的乘積ησSH=1.98×102（Ωm）-1。ησSH的值隨溫度上升而下降。這種對溫度的依賴現象表明鉍中的自旋霍爾效應是非本徵自旋霍爾效應。實驗實現了自旋積累信號向電壓信號的轉化，使自旋霍爾效應的電學測量成為可能；還實現了大的逆自旋霍爾效應和自旋霍爾效應的產生和檢測，室溫下自旋霍爾電阻可達2.9mΩ。在套用方面，自旋霍爾效應為自旋電子注入和用電場控制自旋電子提供了一種新途徑，提供了一種在半導體中傳遞信息的新方法，並有助於製造實用的自旋電子器件。
