自旋注入是實現自旋電子器件最基本的條件，隧道結自旋注入是注入方法之一，它是指通過真空的隧道結有效地將自旋注入電子中，甚至有可能是比擴散性傳送好得多的方法。
基本介紹
- 中文名：隧道結自旋注入
- 外文名：Tunnel junction spin injection
- 一級學科：工程技術
- 二級學科：自旋電子學
- 作用：自旋注入的方法之一
- 特點：通過真空的隧道結實現自旋注入
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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。
隧道結
非磁層為絕緣體或半導體的磁性多層膜，即磁性隧道結（magnetie tunnel junetions，MTJ）。 這種磁性隧道結在橫跨絕緣層的電壓作用下，其隧道電流和隧道電阻依賴於兩個鐵磁層磁化強度的相對取向。 當此相對取向在外磁場的作用下發生改變時，可觀測到大的隧穿磁電阻（TMR）。
MTJ可以分為兩種基本類型，一種是硬-軟MTJ，另一種是人們比較感興趣的釘扎MTJ。在前者中，由於兩個鐵磁層具有不同的開關場，在不同的磁場下，兩個鐵磁層的磁化強度可以被設定成平行或反平行狀態。在釘扎MTJ中，一個鐵磁層的磁化強度被相鄰反鐵磁層通過交換作用所釘扎，從而使磁滯回線從零磁場對稱位置平移一偏置場。相比之下，這種釘扎MTJ的行為比硬-軟MTJ要複雜得多。
隧道結自旋注入簡介
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。
實驗表明，在100K下，用一個100%自旋極化的STM探頭作為電子源將極化的電子注入P型GaAs的表面，並同時記錄下了重組發光的極化程度，結果表明，高度自旋極化流（92%）能夠被注入GaAs。
其他自旋注入方法
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。
電導率失配模型有一定的局限性。首先，該模型是建立在漂移擴散輸運基礎上的，並不適用於彈道輸運和隧穿輸運；其次，該模型假設界面是沒有電阻的，沒有考慮金屬俘導體接觸可能形成的自旋相關的界面電阻，而界面電阻的性質是決定自旋注入的重要因素。因此，不能根據這一理論斷定鐵磁金屬向半導體內的自旋極化注入是不可行的。
熱電子注入
這種注入方法是採用自旋極化的熱電子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。由於多數和少數自旋電子的非彈性平均自由程有很大的差異，預計當熱電子通過鐵磁金屬就可以產生大於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，進入半導體的彈道電流仍然是高度極化的。
