1、Ch 4 自旋电子学自旋电子学本讲（本讲（2学时）内容重点：学时）内容重点：（1）基本问题）基本问题 自旋的注入、输运和检测自旋的注入、输运和检测（2）注入的障碍）注入的障碍设想的自旋场效应晶体管设想的自旋场效应晶体管 基本问题基本问题（比较（比较MOSFET）源-自旋注入自旋注入通道-自旋传输自旋传输漏-自旋检测自旋检测门-自旋控制自旋控制门电压产生“等效磁场”(自旋轨道）， 影响自旋进动改变 “漏”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
2、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实验器件
3、优点优点困难困难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，1P. R. Hammar et al，PRL 83，203（1999）S. Gardelis, et al, PRB 60,7764 (1999)（1）电注入）电注入电检测电检测 （之二）（之二） 近期：FM肖特基势垒SC， 据称效率达到 30。别人尚未重复！别人尚未重复！A. T. Hanbickia) et al APL 80，1240 （2
4、002）（2）电注入）电注入光检测（之一）光检测（之一）实验：实验：磁性半导体磁性半导体电注入 和 偏振光检测 (Nature 402 (1999)790; ibid. 408 (2000)944)产生：产生： P型型(Ga,Mn)As 的自旋极化空穴 和N型型GaAs的非极化电子 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）电注入光检测光检测（之二）（之二） 场致发光强度（左）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 a
5、l， 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 效应效应做光检测做光检测Probe.（3）光产生）光产生光检测光检测（之二）（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
6、。”)(,2FEnmeEJSchmidt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？Schm
7、idt的计算模型（的计算模型（3） 自旋极化率定义其中， 分别为 FM，SC，FM对于注入区（铁磁金属）的自旋极化电流， 计算，接收区（半导体）自旋极化的电流注意：注意：电流密度 是材料、自旋和坐标的函数。)()()()()(xJxJxJxJxiiiii3 , 2 , 1i)(xJiSchmidt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Ohm定律定律其中，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（！）)(xJ,eJxSchmidt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
8、学势化学势 。化学势服从化学势服从扩散方程扩散方程 22)(xDfs,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，铁磁材料区，化学势的形式解是： 这里，i1，3。X1 0； X3 X0。 （）分别对应 1，3 。)/ )(exp,0*,0,fmiiiiiixxCSchmidt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：形式解的意义： 电流密度与位置（X 坐标）无关。代入扩散方程，利用边界条件求解xx,1,2)0()(const,Schmidt的计算模型（的计算模型（8）代入扩散方程和Ohm定律，利用
9、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0 x,21 JJ21JJ0 xx ,32 JJ,32 JJ0 x0 xx Schmidt的计算模型（的计算模型（9）得到了 和 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Cg)()(41 (Cg)(41 ()()()(2Schmidt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”2002) 12(2fmscfmscfmfmxxSchmidt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（
10、材料因子分子小分母大）FM自旋极化 FM自旋扩散长度半导体厚度二者之比二者之比60 10纳米1000纳米10280100纳米10纳米？100 xscfmfmSC电导 FM电导 二者之比二者之比 材料因子自旋极化率自旋极化率11031031052105110310310211020 x2fmscfm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 约 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 再一次表现出矛盾： 铁磁有序需要高浓度电子 电子输运需要低浓度电子322/10cm316/10cmm
11、eEenEnmeEJFF,)()(,2)(FEn1614105410 铁磁金属半导体金属比半导体1载流子浓度高高67个量级个量级2迁移率10（？）低低23个量级个量级3电导 100纳米结论：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，FM隧道结SC海军实验室进展进展成功成功：光注入光检测； 电注入光检测；试验试验：电注入电检测（1）自旋注入 FM肖特基位垒半导体， 自旋极化度 30 （有待重复？）（有待重复？）（2）自旋弛豫时间 GaAs中，达到
12、几百纳秒， Si的价值很大，弛豫时间也有 10 纳秒。下图弛豫时间长电子浓度低（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。（4）检测技术检测技术 电子自旋感应核子自旋，导致NMR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 可以控制 （In， Mn）As中磁化强度的反转。 开辟了电控自旋电子学器件的可能性。结束人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。
