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自旋电子学系列讲座(3)自旋注入翟亚主要内容:引言自旋极化场效应晶体管自旋的注入与探测的方法铁磁/半导体集成结构的制备和特性在电子电荷的基础上建立了半导体电子学在固体电子工业上最大的成就是1947年在Bell实验室首次发现了晶体管。在5年之后商业化，现在成了每台计算机不可缺少的元件。此后，在市场上出现各种各样的半导体器件。场效应晶体管：晶体管是一种微型电子开关。它们是计算机的大脑－－微处理器的基本组成部分晶体管有两种工作状态，通和断。晶体管的通/断（二进制功能）实现了计算机内部的信息处理。晶体管存在的这两种状态可以用二进制来表示。用1表示通，用0表示断。多个晶体管产生的1和0所形成的特定序列和模式可以表示字母、数字、颜色和图形。每个字母都可以用相应的二进制符号来表示。右面列了组成JOHN这个名字的所有字母及其相应的二进制符号。我们还可以用二进制或晶体管的通/断状态来产生像图形、音频和视频等更复杂的信息。允许电流通过的材料就是导体，比如绝大多数金属。不允许电流通过的材料就是绝缘体。纯净的硅是大多数晶体管的基本制造材料，是半导体，因为可以通过加入杂质来调节其导电性。向晶体管中的硅添加特定类型的杂质可以改变硅的晶体结构并增强其导电性。含有硼的硅被称为p型硅，p表示空穴为导电载流子。含有磷的硅被称为n型硅，n代表电子为导电载流子。晶体管由三个端点组成：源极、栅极和漏极。在n型晶体管中，源极和漏极均带负电荷，在带正电的p型硅之上当栅极带正电时，p型硅中的电子被吸引到栅极下面的地方，从而在源极和漏极之间形成一个电子通道。当漏极带正电时，电子就会从源极流向漏极。晶体管处于通的状态。如果栅极的电压消失，那么电子就不会被吸引到源极与漏极之间的区域。电路一断，晶体管就处于断的状态1965年GordonMoore（Intel的发明者之一）预测了集成电路元件的容量（每个晶片上晶体管数目）将呈指数增长或者翻番。每18个月增加一倍！继续小型化集成电路元器件要求：新制备技术；新材料；新构形设计。必须承认，一旦达到自由度的基本极限时，集成电路的小型化怎么继续？什么是下一代的电子器件？具有纳米尺寸、集成电路的容量和性能。现在，我们正在量子相干效应设定的极限附近，量子效应开始左右器件行为。对计算机设计是极大的挑战。自旋相干导电使得自旋成为导电的又一个自由度。使得电子器件可能：增加处理速度，降低功耗，提高集成容量，非挥发性的储存方式。在电子自旋的基础上建立了半导体自旋电子学半导体自旋电子学（SemiconductorSpintronics）将“自旋”极化载流子引入到半导体中，利用电子电荷流动和自旋的相互影响，将可能直接发展微电子学的新的功能，使其更加丰富多样。改变现代信息处理技术的模式，操作半导体中的电子自旋自由度或同时操作半导体中的电子自旋和电子电荷两个自由度同时进行进行信息的传输、处理和存储。将“自旋”极化载流子引入到半导体中，有两种最基本的方案：/直接在半导体中掺杂磁性元素，发展高居里温度的磁性半导体；/铁磁/半导体的集成结构，从铁磁体将自旋电流注入到半导体，即自旋注入杂化自旋电子学----第二代自旋电子学利用自旋控制半导体的行为的优势：¾具有更高的速度（自旋的速度高于电荷）：改变电子自旋取向要比改变电子运动状态要容易和快；¾低功耗：电荷相互作用的能量在eV量级，而自旋相互作用在meV量级；¾非挥发性：停电不丢失数据；¾同时进行进行信息的传输、处理和存储。¾和金属器件相比的一个主要区别就是能够放大信号，因此可以构成多功能设备。自旋电子学涉及的典型课题：a)如何有效地极化一个自旋系统，即如何注入自旋？b)系统的自旋极化相干态在输运过程中能保持多长时间？c)如何有效地探测和操纵自旋状态以及自旋状态的改变？S.DattaandB.Das,Appl.Phys.Lett.56,665(1990)自旋注入自旋输运调控自旋探测Spin-FET（Spinfield-effecttransistor）最早的自旋极化场效应晶体管由DattaandDas在1990提出的。结构和传统的场效应晶体管相似，但工作原理截然不同。而制备却是半导体工艺。栅极上不加偏压，源极和漏极相对磁化强度的方向控制器件中的传导；而在栅极上加上偏压，则自旋极化电子取决于由于Rashba自旋轨道耦产生的有效磁场引起电子的自旋进动，因而改变注入电流的极化度；这种三端器件是非常吸引人的，因为第一眼看上去和传统的晶体管在结构上完全一样的，但又具有几乎完全不同的工作机制。在铁磁/半导体复合器件中，源极和漏极分别负责注入和探测自旋极化电子，是由铁磁材料制备的；输运限制在一高迁移率的通道中，称作2维电子气（2DEG）的通道；通常，spin-FET有两种方法控制自旋极化电子的流动。DattaandDasspin-FET用于注入自旋极化电子的源电极和用于探测自旋极化电子的漏电极和都是铁磁材料。两电极之间的2DEG指形成的2维电子气层，也由半导体组成，但比上下的InGaAs和InAlAs半导体能带低，电子密集在其间形成，导电性较好。半导体InGaAs衬底和InAlAs层导电性要差于2DEG层。自旋的注入与探测的两种方法“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↓Aronov首次提出伴随着极化载流子在SC内部扩散一定距离，可能控制自旋极化电流穿过FM/SC界面；方法之一，光注入与探测（光取向或光抽运）。方法之二，电注入与探测（便于器件的应用）。自旋注入:通过圆极化光，用来产生自旋极化载流子-----圆形偏振光脉冲自旋探测:通过时间分辨的Faraday旋转(线极化光的旋转)光注入与探测光注入的电子自旋能够在低温下在n型的GaAs中相干移动数个微米(KikkawaandAwschalom,Nature1999)Zhu等人第一次证实了过渡金属Fe确实可以通过Fe/GaAs的界面上形成的肖特基势垒向MBE生长的GaAs/(In,Ga)As量子势阱结构中注入自旋极化电子，用电致发光(electroluminescence)的圆极化光在Faraday几何位形的量子阱作用区探测到的极化度，发现从25K到300K都有5%的恒定自旋极化率。H.J.Zhu,etal.,PRL,87,016601(2001).Jonker等人报导了自旋极化效率。他们在反向偏置的spin-LED中经由Fe/AlGaAs中的肖特基势垒测定到室温中高达30%的自旋极化效率。并且通过评估Rowell标准（自旋输运由遂穿过程决定）证明了测出的自旋极化率。A.T.Hanbicki,etal.,Appl.Phys.Lett.80,1240(2002);Appl.Phys.Lett.82,4092(2003).Yoh等人通过圆极化的场致发光测定了无任何势垒下的Fe/InAs的自旋极化率，6.5K时检测到最大极化度为12%。后来作者又报告了300K时在InAs上生长的单晶Fe薄膜，在6.5K时测出高达36%-40%的极化度。这得归功于在低温下生长半导体的界面反应和外扩散没有高温中那么明显。K.Yoh,etal.,J.CrystalGrowth251,337(2003);J.Vac.Sci.Technol.B22,1432(2004).电注入与光探测自旋注入:通过从磁性注入器（可以是顺磁的也可以是铁磁的）获得自旋极化电流。自旋探测:通过探测光致发光的光极化率(到重空穴和轻空穴的跃迁几率之差）FromOhno’swork电注入与光探测是在有机LED器件中被证实的。(byFiederling,Nature1999;Ohno,Nature1999;Jonker,PRL2002)电注入是可能的;自旋相干能够被保持在GaAs空间！但是探测仍然是光。电注入与电探测¾Schmit等人认为无效的电注入被发现与FM/SC界面电导率错配率有关。¾Rashba研究发现存在一个合适的势垒层可控制电流极化并影响FM/SC界面两边的阻抗，因此通过量子力学隧穿过程可产生非常高的自旋注入。¾理论工作很早就证实了FM/SC界面的自旋注入：9Wunnicke等人实现了从Fe向GaAs(001)的自旋注入。他们用第一性原理计算并且考虑了一些复杂因素如考虑到了能带结构和表面问题。他们在Fe/GaAs(001)中得到了极化率高达100%的极化电流，这么高的极化率来自于Fe少数自旋的子带和GaAs的能带的错配。9Zwierzycki等人预测了Fe/InAs(001)界面的自旋注入基于Fe和InAs为欧姆接触，在界面处没有任何能垒形成。对于两个端面存在大的自旋不对称性并且Fe和InAs(001)之间形成的镜面界面就像一个有效的自旋过滤器，导致了In-terminatedandAs-terminated界面相当高的自旋极化度98%和89%。从FM向SC直接自旋注入的效率，由于他们的电导率的错配，非常低,但是当在界面处存在一个合适的能垒如Schottky能垒，高效率的自旋注入也可发生。一种新颖的垂直自旋注入器件用来研究自旋注入，其中的GaAs膜厚度为0.1-0.5mm。在GaAs(100)衬底两侧，分别用MBE和热蒸发制备两层铁磁层，在GaAs上采用光刻和有选择的化学腐蚀手段开一个约200mmx200mm得窗口，一层FM层被设计来作为发射器，另一层作为电子隧穿的接收器。15ML的Colayer生长在10mmx10mmAs-吸附的GaAs(100)衬底上，GaAs(100)衬底包含了外延的Al0.3Ga0.7As，具有结构GaAs(50nm,n-type,1018/cm-3)/Al0.3Ga0.7As(200nm,n-type,1018/cm-3)/GaAs(100).采用独立的铁磁探测器测量非平衡自旋数以保证没有电荷流流动----自旋流和电荷流分离。更严格的是观察到Hanle效应：纵向磁场的进动和相移引起的自旋信号的调制和抑制。探测自旋输运有两个重要的标准：外延Fe/n-参杂的GaAs通道通过生长一层n+-参杂(5×1018cm−3)的GaAs过渡层形成Schottky-隧穿-能垒接触。这种接触允许电子的注入与探测。半导体电子浓度n=2–4×1016cm−3,2500nm厚度；Fe的厚度为5nm。标准的光刻和刻蚀用来制备通道和5条10μm×50μm的Fe电极。3条中间的电极心心间距为12μm，两端的电极相距160μmFe的易磁化轴为电极长度方向沿GaAs[011]方向。电子的自旋输运测量由电极的磁电阻，局部Hall效应和其他对信号的外在贡献。测量电极通过位于电荷流回路之外可将背景信号降到最低。自旋极化电子通过电极3注入到GaAs通道中，并流向电极1，电压V45测量电极4和电极5之间的信号，虽然电子从电极3流向电极1，但是在GaAs中的非平衡的自旋极化可以从源极扩散至任意方向。自旋极化度PGaAs导致通道中两个自旋态的电化学差,μ,当电极4的磁化强度从反平行于电极3开关到平行位形时，引起V4,5的变化。电极5的PGaAs在160μm之外，总是为0，所以电极5的磁化强度不影响测量。自旋阀测量通过扫描沿着磁易轴方向(y向图.1a)的磁场，在电极3和电极4平行时的狭窄的场范围寻找电压的变化。自旋-相关器件自旋阀和磁性隧道结磁性随机存储器和读出磁头自旋场效应晶体管,自旋发光二极管,自旋共振隧道结。编码器,解码器,量子比特其他自旋相关器件对材料有什么要求?匹配的结构和能带;良好的界面效应。半金属铁磁材料与半导体兼容！与半导体相容的新型磁性材料高自旋极化度；好的兼容性；在纳米尺度上具有高耐用性居里温度在室温以上NiMnSbCrO2Fe3O4Sr2FeMoO6半金属铁磁和与之匹配的半导体高自旋极化度,◆长自旋相干长度,◆良好的界面效应高的性能以及…..需要与半金属铁磁相匹配的重要的III-V和II-VI半导体如：GaAs,GaSb,InAs,InSb,…Magnetic/semiconduct