彈道電子自旋注入

自旋注入

自旋注入是實現自旋電子器件最基本的條件，隨著自旋電子學在磁性和非磁性金屬上的巨大成功，自旋注入半導體材料越來越受到人們關注。磁性材料俘導體界面的自旋注入是最基本的半導體自旋注入結構。作為自旋極化源的磁性材料有鐵磁金屬、磁性半導體和稀磁半導體三種。磁性半導體有較高的自旋注入效率，但是磁性半導體（如硫化銪）的生長極其困難，因此研究就集中在從稀磁半導體和鐵磁金屬向非磁半導體內的注入。稀磁半導體的鐵磁轉變溫度遠低於室溫，雖然理論預測某些材料的鐵磁轉變溫度可以高於室溫，但是在開發出可以在室溫下套用的稀磁半導體之前，鐵磁金屬/半導體的接觸仍然是實現從自旋注入、操縱到檢測全部電學控制的最有希望的方法。

彈道電子自旋注入簡介

隧道注入的另一種方式稱為彈道電子注入，在彈道狀態的鐵磁體一半導體界面間進行自旋注入。鐵磁性金屬的兩個傳導帶和半導體的不同，決定了基於自旋的界面彈道電子傳送的可能性。一個自旋極化的電子一旦進入半導體的電極，它被原注射者打亂的可能性是非常小的。舉例來說，如果在設計時包括了被注入的介質被鐵磁性電極基於自旋的抓取，那么傳送通過半導體的區域一定是一個完整的彈道，在此基礎上進行的鐵磁性和非鐵磁性金屬之間的實驗結果表明，有大於40%的自旋極化流注入非鐵磁性的金屬中。

其他注入方式

歐姆式注入

歐姆式注入，又可稱作直接式或擴散式注入。在一個鐵磁性的金屬中，多數自旋向上的導電性與少數自旋向下的電子有著本質的不同，引起自旋極化的電流。對於自旋注入最直接的方法就是在鐵磁性的金屬和半導體之間形成一個歐姆式接觸，以形成電流。但是典型的金屬一半導體的歐姆式接觸是在摻雜的半導體表而，引起了載流子的自旋翻轉散射，造成自旋極化度的損失。

為此，最早的研究利用化學勢和金屬相差不多的半導體材料InAs和鐵磁金屬以歐姆接觸的形式結合起來，InAs是少數幾種可以和過渡金屬形成陡峭界面且無Schottky的歐姆接觸材料之一。儘管做了大量的研究，仍然只能在溫度小於10K下得到4.5%的自旋極化注入。

由於金屬比半導體的電導大幾個數量級，因而根據歐姆定律，電流主要由電阻大的部分，即半導體部分的電阻決定，由於自旋向上和向下的兩分支電流在半導體部分的電導基本相同，所以兩分支電流也就相差不多，因而自旋注入效率當然很低。只有當鐵磁體中的載流子是100%極化時，才有可能在擴散輸運中得到有效的自旋注入。

隧道結自旋注入

關於鐵磁性金屬和金屬結（FM/M）與鐵磁性金屬和超導金屬結（FM/SM）的理論已經成功地建立，並顯示出了很好的結果。而近來對於關鍵的鐵磁性金屬和半導體結的研究表明，在利用有磁性探頭的掃描隧道顯微鏡（STM）時，發現真空的隧道結能夠有效地將自旋注入電子中，隧道結的邊界還能保存自旋極化。因此，它有可能是比擴散性傳送好得多的方法。

理論研究指出，如果一個界而上的阻抗很高的話，傳送效果就會由參與隧道過程中兩個電極基於自旋的電子狀態所決定。通過界而的電流會很小，電極處於平衡，相對導電性較好的電極也不會對自旋傳輸起到限制作用。因此，一個金屬-絕緣體-半導體二極體或者一個金屬-半導體二極體和鐵磁性金屬電極的搭配，都被認為是一個將自旋注入半導體的好方法。理論計算也證實了這個結論。

彈道電子自旋注入

基本介紹

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