自旋电子学和自旋电子器件
自旋电子器件—自旋场效应晶体管

自旋电子器件—自旋场效应晶体管自旋电子器件——自旋场效应晶体管自旋电子学作为一种基于物理学原理的新型电子学技术,近年来受到了广泛的关注。
自旋电子学是指通过控制电子的自旋来实现信息处理和传输。
与传统的电子学技术相比,自旋电子学具有更高的速度、更低的功耗和更好的可集成性。
其中,自旋场效应晶体管(SCFET)作为一种常见的自旋电子器件,正在逐步成为自旋电子学的重要研究方向。
SCFET作为一种基于金属-半导体界面上反应的自旋电子器件,它是借鉴场效应晶体管(FET)的思路而发展而来的。
SCFET的制备过程涉及到材料的选择和器件的结构,具体过程包括:1)制备半导体材料;2)制备金属-半导体界面;3)将由半导体材料构成的通道结构与金属-半导体界面进行接触。
通道结构是指由半导体材料制成的晶体管中电子流动的路径,它对电子的输运影响重大。
金属-半导体界面则指金属和半导体钙结构中能级和势垒发生变化的区域,在SCFET中,它起到了抑制正常场效应的作用。
与传统的晶体管相比,SCFET最大的不同在于它利用了电子的自旋来控制电子的输运。
在自旋电子学中,电子的自旋分为向上和向下两个状态,分别代表0和1。
利用这一性质,SCFET可以实现电子的自旋控制和自旋转移,从而实现自旋信息的存储和传输。
在SCFET中,自旋场效应是通过施加磁场来实现的。
在磁场存在的情况下,电子的自旋会向特定的方向偏转,进而影响电子在通道结构中的输运。
当磁场加强或减弱时,电子的自旋状态也会发生变化,从而实现自旋控制。
目前,SCFET已经在一些重要的应用场景中得到了广泛的应用。
例如,在非易失性存储器方面,SCFET可以用于替代传统的闪存存储器,以实现更高的速度、更低的功耗和更好的可靠性。
在芯片设计方面,SCFET可以用于实现高速信号传输和低功耗的逻辑电路设计。
在量子计算和量子通信方面,SCFET具有很好的应用前景,因为它可以实现量子信息的输运和控制。
总之,自旋场效应晶体管作为一种基于自旋电子学的新型器件,具有很大的应用潜力。
自旋电子学与自旋器件

自旋电子学与自旋器件自旋电子学是一门研究自旋电子在材料中运动和相互作用的学科,自旋器件则是通过利用自旋电子在材料中的特性设计和制造的电子器件。
本文将探讨自旋电子学的基本概念、自旋器件的分类以及其在现代科技领域的应用。
一、自旋电子学的基本概念自旋是电子的一种属性,类似于地球上物体的旋转。
电子的自旋可以看作是围绕其自身轴心旋转产生的磁矩。
自旋电子学研究的重点在于如何控制和利用电子的自旋,以实现信息的存储和传输。
在自旋电子学中,自旋电子可以被视为一种具有两个自旋态的粒子,即自旋“上”和自旋“下”。
通过施加磁场或利用特殊材料的相互作用,可以使电子在两种自旋态之间进行转换,这就是自旋翻转。
二、自旋器件的分类根据自旋器件的功能和工作原理,可以将其分为自旋阀、自旋场效应器件和自旋传感器。
1. 自旋阀自旋阀是利用自旋选择性的非磁性材料与磁性材料之间的界面耦合效应,实现电子自旋的注入和控制。
自旋阀可以用于构建自旋电子学器件中的自旋输运和调控单元。
2. 自旋场效应器件自旋场效应器件是一种利用电场调控电子自旋输运的器件。
它通过在材料中引入外加电场,调节自旋电子在材料中的能级分布,从而控制电子的自旋转变和输运。
3. 自旋传感器自旋传感器是一种利用自旋电子特性感测外部物理量或环境变化的器件。
通过监测自旋电子在材料中的状态变化,可以实现对温度、磁场、电压等物理量的测量和监测。
三、自旋电子学在现代科技领域的应用1. 自旋磁电子学自旋磁电子学是自旋电子学的一个重要研究方向。
它利用自旋自旋转变和磁性材料的相互作用,实现磁性存储器件和磁性传感器的控制与调节。
自旋磁电子学在信息存储、计算和通信等领域具有广泛的应用前景。
2. 自旋输运与量子计算自旋输运是自旋电子学的核心内容之一,其目标是实现自旋信息的传输与控制。
自旋电子学中的自旋传输和调控单元可以用于构建量子比特和量子电路,用于实现量子计算和量子通信。
3. 自旋电子学与磁效应材料自旋电子学与磁效应材料的研究相互关联,相互促进。
自旋电子学中的自旋转移矩效应与自旋电子器件研究新进展

自旋电子学中的自旋转移矩效应与自旋电子器件研究新进展自旋电子学是一门相对较新的物理学分支,涉及自旋电子的操控和应用。
自旋转移矩效应是自旋电子学中的一个重要现象,它在自旋电子器件的研究和应用中发挥着关键作用。
本文将详细解读自旋转移矩效应的基本定律、实验准备和过程,并探讨其在自旋电子器件研究中的新进展和应用。
自旋转移矩效应(spin-transfer torque,简称STT)是指自旋极化电流对磁矩的转移作用。
在自旋电子学中,电流携带的自旋极化可引起磁矩的移动和翻转,从而实现自旋信息的读写和存储。
STT的研究对于自旋电子器件的发展具有重要意义。
首先,我们可以从磁体的逆磁电阻效应(GMR)开始解读STT的基本定律。
GMR现象表明,当电流通过一个具有磁性层的金属多层膜时,由于自旋极化电流的存在,电阻将与磁自旋方向有关。
这一效应被用于读取磁性存储介质中的自旋信息。
STT则进一步利用了这种磁性层中的自旋极化电流,通过施加一个垂直磁场,使得磁矩沿着特定方向旋转,实现了自旋信息的写入。
在进行STT实验前,我们需要准备一些实验装置和材料。
首先,需要制备一些磁性多层薄膜样品,其中包含磁性层和非磁性层,用于观察STT效应。
其次,需要配置一台实验仪器,如霍尔效应测量仪,用于测量和分析自旋极化电流和磁矩的变化。
最后,还需要一些实验材料,如电路板、导线和稳压电源等。
实验的过程如下:首先,将制备好的磁性多层薄膜样品固定在实验装置中,并连接电路板和电流源。
然后,通过电流源施加一定大小的电流并选择合适的频率,以产生自旋极化电流。
接着,通过霍尔效应测量仪测量电流和磁矩的变化,以获得STT效应的相关数据。
最后,根据实验数据分析自旋极化电流对磁矩的转移作用,并进一步探究其在读写自旋信息中的应用。
自旋转移矩效应在自旋电子器件的研究中有着广泛的应用。
例如,自旋转移矩随机存储器(ST-RAM)利用STT效应实现了高速、低功耗和非易失性的自旋极化数据存储。
自旋电子学与自旋电子器件

自旋电子学与自旋电子器件自旋电子学是一门研究将电子的自旋运动作为信息的载体进行存储、传输和操作的学科。
自旋电子器件则是应用自旋电子学原理开发的电子器件。
自旋电子学与自旋电子器件的发展具有重要的科学意义和应用价值,本文将从理论原理、器件分类以及未来发展方向等方面进行阐述。
一、理论原理自旋电子学是基于电子的自旋运动而建立的一种新型电子学理论。
电子除了具有电荷属性外,还具有自旋属性,自旋可以理解为电子围绕自身轴的旋转运动。
在经典物理学中,自旋可以类比为地球绕自转轴旋转。
自旋的特点在于它具有两种取向,分别为上旋(spin up)和下旋(spin down)。
这两种取向可以表示为"1"和"0",即可以用来储存和传输信息。
二、器件分类根据实际应用需求,自旋电子器件可以分为几个不同的分类。
常见的自旋电子器件包括自旋电子存储器、自旋场效应晶体管(spin field-effect transistor, Spin-FET)以及自旋逻辑门等。
1. 自旋电子存储器自旋电子存储器是一种利用自旋自由度实现信息存储的设备。
其中最典型的是自旋隧穿磁阻(spin-tunneling magnetoresistance, STT-MRAM)存储器。
其原理是通过调控自旋电子在磁隧道结构中的隧穿电流,实现对存储信息的读写操作。
STT-MRAM存储器具有非易失性、高速写入和低功耗等优势,被广泛应用于电子产品的存储领域。
2. 自旋场效应晶体管自旋场效应晶体管是一种利用自旋转移效应进行电子输运的器件。
通过在半导体材料中引入磁性材料,在电场调控下实现自旋电子流的控制。
自旋场效应晶体管具有高速、低功耗和可控性强等特点,被广泛应用于自旋逻辑电路和自旋电子通信等领域。
3. 自旋逻辑门自旋逻辑门是一种基于自旋操控实现逻辑运算的器件。
传统的电子逻辑门是基于电荷操控的,而自旋逻辑门则是利用自旋电子的上旋和下旋状态作为输入和输出。
自旋电子学的研究及其应用

自旋电子学的研究及其应用自旋电子学是一门近年来不断发展壮大的物理学分支,在许多领域有着广泛的应用。
自旋电子学的本质是将电子的自旋作为信息存储和处理的基本单元,与传统的电荷电子学不同,自旋电子学主要研究自旋极化和磁性材料的物性等问题。
本文将围绕自旋电子学的研究和应用展开探讨。
自旋电子学的研究基础自旋电子学最早起源于20世纪50年代,当时电子学的主要研究方向是电子的电荷性质。
然而,在20世纪60年代初期,一些科学家发现,电子不仅有电荷,还有自旋。
自旋是电子特有的一种角动量,带有一定的磁性。
磁性的自旋可以看作是一种磁场,因此,自旋可以被用来控制磁性物质的电学性质,也可以被用来存储和传输信息。
自旋电子学的研究涉及到自旋的量子力学和自旋极化的物理化学等多个领域。
其中最关键的问题是如何将电子的自旋转化为可控制的电学信号。
经过多年的研究,科学家找到了一种用自旋控制电学信号的方法,就是通过自旋极化电流来控制材料的磁性,从而实现信息的存储和处理。
自旋电子学的应用自旋电子学的应用非常广泛,可以涉及到信息技术、能源、生物医学、环境保护等多个领域。
以下将列举几个自旋电子学的应用案例。
1. 磁性存储器磁性存储器是自旋电子学最主要的应用之一。
磁性存储器是一种通过自旋极化来实现信息存储和读出的储存设备。
磁性存储器可以用来存储各种类型的数据,如音频、视频、图像等。
目前,磁性存储器已经成为了大规模数据存储的重要工具。
2. 自旋电子器件自旋电子器件是一种通过自旋控制的电子设备。
自旋电子器件可以通过调节自旋极化来控制电子的输运、逆转和操纵等。
自旋电子器件可以广泛应用于电磁学、电子器件工程、物理化学等领域。
3. 磁性减震器磁性减震器是一种通过自旋极化来减少震动的设备。
磁性减震器可以通过磁场的作用将机台内部的震动缓解,从而减少机器的噪音和振动。
磁性减震器在机械工程、制造工艺等方面有广泛的应用。
4. 纳米磁性探针纳米磁性探针是一种通过自旋极化来探测材料结构和性质的工具。
自旋电子学概述

自旋电子学概述自旋电子学是一门研究电子自旋运动和相关现象的学科领域。
自旋电子学在物理学、材料科学和电子工程等领域具有重要的理论和实际应用价值。
本文将简要介绍自旋电子学的起源、基本概念以及应用前景。
一、起源自旋电子学最早可以追溯到20世纪初。
美国物理学家斯特恩在1922年的实验中首次观测到电子的自旋。
自旋被认为是电子的基本属性之一,其类似于物体的自旋,但又有所不同。
自旋除了带有磁矩,还具有量子性质,如量子态叠加和纠缠等。
二、基本概念1. 自旋电子学中的自旋:自旋是描述电子旋转角动量的量子性质。
常见的自旋取值有“上自旋”和“下自旋”,分别对应自旋向上和向下。
2. 自旋电子学中的磁性:自旋和磁性密切相关,自旋带有磁矩。
通过利用电子自旋来操控和感知材料的磁性,可以实现磁存储、磁传输和磁传感等应用。
3. 自旋电子学中的自旋轨道耦合:自旋轨道耦合是指自旋和电子轨道运动之间的耦合效应。
它可以通过磁场、电场和材料的对称性等因素来调控。
自旋轨道耦合是实现自旋电子学功能的重要基础。
三、应用前景自旋电子学具有广阔的应用前景,以下列举几个重要的研究方向和应用领域:1. 自旋电子学器件:利用自旋来实现信息的存储、传输和处理是自旋电子学的重要应用之一。
例如,自旋晶体管、自旋场效应晶体管等器件可以用于高效的信息存储和处理。
2. 磁存储技术:自旋电子学在磁存储领域具有广泛的应用。
通过调控电子自旋来实现高密度、高速度的磁性存储,可以有效解决传统磁存储技术面临的挑战。
3. 自旋电子学材料:自旋电子学的发展离不开新型的自旋电子学材料。
例如,具有自旋劈裂特性的材料可以用于自旋传输和自旋滤波器件。
4. 量子自旋系统:自旋电子学与量子信息领域的交叉也是一个研究热点。
利用电子自旋来实现量子比特的存储和操作,有望实现量子计算和量子通信的突破。
四、总结自旋电子学作为一门新兴的学科领域,对于未来信息技术的发展具有重要意义。
随着研究的深入和技术的不断突破,自旋电子学有望在信息存储、传输和处理等领域发挥重要作用。
电子工程中的自旋电子学理论

电子工程中的自旋电子学理论自旋电子学理论是电子工程中的一个重要研究领域,其研究对象是电子的自旋,而不是电子的电荷。
随着磁性存储技术的快速发展,自旋电子学理论已被广泛应用于电子器件和计算机技术等领域。
本文将重点探讨自旋电子学理论的定义、原理及其在电子工程中的应用。
一、自旋电子学理论的定义自旋电子学理论是描述自旋与磁性相互作用的一种物理理论,主要应用于磁性材料的研究与应用,以及磁性存储设备的制造与优化。
在自旋电子学理论中,电子不仅具有电荷,而且具有自旋。
自旋指的是电子固有的自旋磁矩,是电子运动方向的磁场。
通过控制电子自旋,可以控制材料的磁性。
二、自旋电子学理论的原理首先要了解自旋的基础概念:自旋是电子的内禀属性,类似于固定轨道运动和角动量。
自旋有两个可能的方向,即“上”和“下”,可以用“+1/2”和“-1/2”表示。
在一个磁场中,电子会受到与自己自旋方向相反的力,这个力被称为磁场作用力。
因此,在一个磁场中,自旋方向相同的电子会向磁场区域集中,而相反的电子会分散在区域中。
自旋电子学理论还包括两个重要的概念:自旋极化和自旋电流。
自旋极化是指电子自旋朝向相同的概率比自旋朝向相反的概率更高。
自旋电流是指在一个导体中存在自旋向一侧的电子流。
自旋电子学理论在这两个概念的基础上,发现了一些有用的现象。
三、自旋电子学在电子工程中的应用1. 磁性存储器自旋电子学在磁性存储器中应用非常广泛。
在传统的硬盘驱动器中,数据是存储在一个矩形磁区中,每个磁区代表一个比特。
在新型的自旋电子学硬盘中,数据被存储在一个小型磁区中,即自旋填充层(Spintronic layer)。
自旋填充层包括两个分离的层,可以分别控制电子的自旋方向和运动方向。
这种技术比传统磁性存储器更加紧密和容量更大。
2. 自旋电流器件自旋电流器件是自旋电子学的一种应用,其原理是利用自旋电流控制磁性材料的自旋方向。
一个自旋电流器件由两个磁层隔着一个绝缘层组成,自旋电流会从一个层流入另一个层。
《自旋电子学》课件

探索自旋电子学在信息科学、纳米电子学和量子计算等领域的广泛应用。
自旋电子学的优势
详细阐述自旋电子学相较于传统电子学的优势和潜在价值。
自旋传输
1
自旋运输和操控
2
探索自旋如何在材料和器件中进行传输
和操控,为自旋电子学的应用提供支持。
3
自旋注入和探测
研究自旋如何被注入和探测,为后续自 旋运输和操控奠定基础。
自旋电场效应晶体管
介绍自旋电场效应晶体管的原理与设计, 展示其在信息处理中的潜力。
自旋器件
自旋触发器
介绍自旋触发器的原理与应用,探讨其在信息存储 和处理中的潜力。
自旋滤波器
详细阐述自旋滤波器的工作原理和应用场景,探讨 其在信息筛选中的优势。
自旋管
探索自旋管的原理与构建方法,展示其在自旋电子 学中的应用前景。
自旋电子学的未来
1 自旋电子学的发展趋 2 自旋电子学与量子计 3 自旋电子学在信息处
势
算的结合
理领域的应用
分析自旋电子学发展的趋 势和前景,展望未来的发 展方向。
探讨自旋电子学与量子计 算的结合,展示其在信息 处理领域的潜力。
详细介绍自旋电子学在信 息处理领域的具体应用, 展示其在实际应用中的优 势和挑战。
总结
自旋电子学的意义
总结自旋电子学的意义和重要性,强调其在信息科学领域的研究和应用价值。
自旋电子学的挑战
概述自旋电子学面临的挑战和难题,讨论未来的发展方向。
未来的方向
展望自旋电子学未来的发展方向,并提出进一步研究的建议。
自旋量子点
介绍自旋量子点的结构与特性,探讨其在量子计算 与信息处理中的潜力。
自旋电路与系统
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C% 多层膜首次观察到了与自旋输运 相 关 的 磁 阻 变
化 ! 就是巨磁阻效 应 ’ D56 $ 运有关的非平衡自旋积累 " 在自旋电子器件的研究过程中! 有两个很重 要的实验值得一提 " 一个是 F&>G)&G 和 H;2)<## 用坡 莫 合 金 ’ I+$ 8 J2 8 I+ 自 旋 阀 结 构 观 察 到 电 导 随 纵 向磁场振荡的现象
%A& % E&
" D56 结 构 取 代
"56 成为硬盘的磁头 " D56 效应的本质就是和输
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自旋注入和自旋检测 自旋注入和检测是实现自旋电子器件最基本
的条件 ! 磁性材料 8 半导体界面的自旋注入是最基 本的自旋注入结构" 作为自旋极化源和检测的磁 性材料电极有铁磁金属( 磁性半导体和稀磁半导 体三种 " 磁性半导体有较高的自旋注入效率! 但是磁 性 半 导 体 ’如 硫 化 铕 $ 的 生 长 极 其 困 难 ! 因 此 研 究就集中在从稀磁半导体和铁磁金属向非磁半导 体内的注入" 稀磁半导体的铁磁转变温度远低于 室温! 虽然理论预测某些材料的铁磁转变温度可 以高于室温
#CDBEB9( 等 人 采 用 %F< 的 铁 磁 针 尖 表 明 ! 可
以通过真空隧穿得到有效的自旋注入% 进一步的 研究表明了表面结构对 %F< 自旋相关的隧穿的影 响
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% 高阻 抗 的 铁 磁 , 绝 缘 层 , 铁 磁 结 构 也 已 经
证实了隧穿过程中自旋极化可以保持! 表明隧穿 可能是比扩散输运更有效的自旋注入方法 %
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引
言
热点 ! 受到广泛的重视 ) 美国国防部在 !""" 年就 公布了每年 %&"" 万美元的专门研究自旋半导体材 料和器件的计划" 自旋电子学研究的动力主要来 自两个方面* # %$ 商 业 应 用 源 于 巨 磁 阻 # ’() $ 器件作为硬盘磁头的巨大的商业成功! 进一步的 研 究 目 标 是 有 可 能 替 代 基 于 *(+, 的 非 挥 发 存 储 器 的 磁 随 机 存 储 器 # ()-($
实现的! 另外! 纵向结构的自旋积累效应是很微 弱的 ! 需要用超导量子干涉仪 ’HNOPQ $ 测量 " 因 此 ! 这种器件无法成为实用的自旋电子器件 " 以 上 介 绍 的 都 是 基 于 D56 或 "56 的 全 金 属 的自旋相关输运的研究! 近年来! 利用半导体材 料实现自旋器件是自旋电子学新的研究方向" 包 括半导体内自旋极化电流的产生( 输运( 控制和 微纳电子技术
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% N’O 等 人 报 道 了 室 温 下 :0 的 自 旋 注 入
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自旋电子学研究的发展以及核心 问题
在讨论自旋电子学研究的核心问题之前! 有
金属 0 半导体混合结构的 ! 实际上是一个源漏为铁 磁金属电极的场效应晶体管! 因此称为自旋场效 应晶体管 ’)L;GBV"$* 通过改变栅压可以控制二维 电子气沟道中自旋极化电子的 6:)><: 进动 ! 从而 控制沟道的电导 *
专家论坛
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自旋电子学和自旋电子器件
陈培毅 ! 邓 宁
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" 清华大学微电子研究所 ! 北京
摘要 ! 自旋电子学是近年来发展起来的微电子学和磁学的交叉学科 ! 主要研究自旋极化电流的注 入 $ 控制和检测 % 本文介绍了自旋电子学和器件的研究进展 ! 着重讨论了自旋注入和检测的问 题 ! 分析了自旋电子器件研究的核心问题和难点 % 自旋电子学的研究有着重要的理论意义 ! 自旋 器件在信息科学领域也具有十分广阔的应用前景 % 关键词 ! 自旋电子学 & 自旋电子器件 & 自旋注入 & 自旋输运 中图分类号 ! 231" +10!4& 文献标识码 ! 文章编号 ! %/5%6155/ #!""1$ "#6"""%6"&
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电子除了具有电荷的属性外! 还具有内禀自 旋角动量 ! 在外磁场中 ! 不仅受洛仑兹力的作用 ! 还通过内禀磁矩和外场发生耦合" 将自旋属性引 入半导体器件中! 用电子电荷和自旋共同作为信 息的载体! 将会发展出新一代的器件" 这种新的 器 件 利 用 自 旋 相 关 的 效 应 #载 流 子 的 自 旋 和 材 料 的磁学性质相互作用 $! 同时结合标准的半导体技 术! 将具有非挥发% 低功耗% 高速和高集成度的 优点
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56%&’789) 提出的电导率失配模型指出了理想 ,
半导体欧姆接触自旋注入的根本问题 % 该模型 基于两通道的电阻网络模型! 分析了不同区域的 电化学势分布! 指出自旋注入的效率依赖于半导 体和铁磁电极的电导率的比例 # 图 : $% 一般情况 下自旋注入效率小于 3.32; ! 只有当铁磁材料的极 化率接近 2330的时候才会产生有效的注入 %
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微纳电子技术
!""# 年第 $ 期
专家论坛
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本文介绍了自旋电子学及器件的研究进展! 讨论了自旋电子器件研究的核心问题! 分析了自 旋电子学发展面临的挑战和机遇 " 检测 ) 第 一 个 三 端 有 源 器 件 是 Q:MM: 和 Q:) 于 ,@@R 年 提 出 的 ’如 图 S 所 示 $
! 但是在开发出可以在室温下应用
的稀磁半导体之前 ! 铁磁金属 8 半导体的接触仍然 是实现从注入( 自旋操纵到检测全部电学控制的 最有希望的方法 " 下面简单介绍在铁磁金属 8 半导体结构的自旋 注入的方法和研究进展
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’,$ 欧姆接触自旋注入 最直接的自旋注入结构就是铁磁材料 8 半导体
!""# 年第 $ 期
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专家论坛
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形成欧姆接触! 由于在铁磁材料中电子是自旋极 化的! 因此! 希望能够在半导体中注入自旋极化 的电子" 但是! 典型的欧姆接触需要半导体表面 重掺杂! 这导致了自旋翻转的散射和自旋极化率 的 损 失 " 最 早 的 研 究 是 利 用 !"#$ 上 的 铁 磁 接 触 ! 这是少数几种可以和过渡金属形成陡峭界面和无 模型是建立在漂移扩散输运基础上的! 并不适用 于弹道输运和隧穿输运( 其次! 该模型假设界面 是没有电阻的! 没有考虑金属半导体接触可能形 成的自旋相关的界面电阻! 而界面电阻的性质是 决定自旋注入的重要因素% 因此! 不能根据这一 理论断定铁磁金属向半导体内的自旋极化注入是 不可行的 %
"56 完全是一 种 自 旋 相 关 的 界 面 效 应 ! 并 不