半导体自旋电子学中的自旋流_自旋电子学前沿探索之一(精)
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
众所周知，电子具有两个重要的内禀属性，即电荷和自旋。现代微电子技术只利用了电子的电荷属性而没有考虑电子的自旋特性。实际上，人们早在20世纪20年代就发现了电子的自旋特性，但直到发现材料的电阻率随着材料磁化状态的变化而呈现显著改变的巨磁电阻效应并用自旋相关散射和双电流模型来解释之后，人们开始认识到电子自旋的应用价值。对电子自旋的研究成为当今研究的一个热点课题，并逐渐形成了一个新的研ห้องสมุดไป่ตู้领域即自旋电子学（spintronics）。自旋电子学中电子的自旋取代电子电荷作为信息储存和传输的载体。电子的自旋态具有较长的驰豫时间，更不容易被杂质或缺陷的散射破坏，而且自旋态也容易通过调节外部的磁场来进行控制。人们正期待着利用电子自旋自由度来设计运行速度更高、能量消耗更低、功能多、高集成的下一代微电子器件。这种器件抛弃了电子的经典特性，转而利用了电子的量子特性，因而原则上将允许电子器件的尺寸进一步大大的减小，从而进入纳米尺度的范围即量级，成为介观物理的重要组成部分之一。
通过对电子电荷和电子自旋性质的研究，最近在电子学和信息技术领域出现了明显的进展。这个进展的重要标志之一就是诞生了自旋电子学。在传统的电子学中，数据处理集成电路所用的是半导体中电子的电荷，但并不是说电子的自旋自由度以前从没有用过，例如传统的数据存储介质，如磁盘，用的就是磁性材料中电子的自旋。 ~2UmX'
尽管对自旋电子学的基本原理和概念的研究非常令人感兴趣，但在人们能够制造出自旋电子学应用器件之前，还有许多障碍需要克服。例如，自旋电子学的一个基本要求是在电子材料中产生和保持大的自旋极化电流到很长的时间。要实现这一点尚需继续努力才能完成。事实上，把足够大的自旋极化电流引入半导体材料也是一个问题。以此类似，对于量子计算，人们要求精密的控制自旋纠缠及利用局域磁场操纵单一自旋。对此，虽然已经提出许多设计方案，但至今尚没有特别好的想法。很清楚的是，对于一个崭新的领域，总是机会与挑战并存。在自旋电子学的应用变成现实之前，确实有大量的基本物理问题需要研究。有关自旋电子学的物理学基础和应用问题的研究现状，有兴趣的读者可以参看最近刚刚发表的一篇极好的评述文章：Zutic′, Fabian, and Das Sarma: Spintronics: Fundamen- tals and applications，Rev. Mod. Phys., 76, 323-410，April 2004。 ;nb>IL
第6章_自旋电子学_1
XIDIAN506LAB
GMR现象及解释
膜厚的影响 不同温度 下， Co/Cr 淀积系统 GMR比率 随着铬(Cr) 间隔层厚度 变化 (from S.S. Parkin et al [21]).
XIDIAN506LAB
GMR现象及解释
• 巨磁阻材料
材料与结构
– 除了最初的Fe/Cr材料的多层结构，多晶 Co/Cu材料多层膜有更好的性能 – 多种材料结构中都发现了巨磁阻现象
GMR现象及解释
膜厚的影响
Co/Cu结构系统中GMR比率随着铜层厚度而变化
(from S.S. Parkin et al [22]). XIDIAN506LAB
GMR现象及解释
膜厚的影响 不同温度下， Co/Ru 系统中 GMR比率随 着 钌（Ru） 间隔层的厚度 而变化 (S.S. Parkin et al ).
Magnetic field (kG)
GMR
=
R AP − R P RP
XIDIAN506LAB
巨磁阻发现
效应
• 两 个 研 究 团 队 分 別 在 4.2K 温 度 和 室 温 下，对各自研制的磁性多层薄膜系统磁 电阻予以测量。 • 费尔教授在 4.2K 的低溫，在(Fe/Cr)n， n = 60系统中测量得到50% 磁阻变化。 • 格林贝格尔教授則在室溫下，测量 Fe/Cr/Fe三明治结构，测得大約1.5% 的 磁 阻 变 化 ， 随 后 又 在 低 溫 下 Fe/Cr/Fe/Cr/Fe 系統中测得约 10% 的磁 阻变化率。
磁耦合振荡
长周期振荡
S. S. P. Parkinet. al. PRL 64, 2304 (1990).
短周期振荡 周期～2个原子单层（约0.3纳米） 周期～3个原子单层（约0.45纳米）
第三讲自旋电子学课件
近似：电子与（热激发）自旋波散射可以忽略， （低于居里点） 只考虑电子与磁性离子自旋间的散射。 （s－d散射）
约定：与磁矩同方向的电子处于主要子带（majority）
相反方向自旋电子处于次要子带（minority）
两流体模型（2）
自旋相关散射(磁电阻效应)
FM(Ni-Fe)
S1
S2
(Al-O)
NM(Cu(001))
FM(Co(001))
上下自旋平行时电子容易通过--低电阻态 上下自旋反平行时电子被散射—高电阻态
Capping layer
Free layer
Tunnel barrier Reference layer Spacer layer Pinned layer Pinning layer
当然 D d 2 0 不等式成立
Julliere公式（3）
TMR 比率（放大的）
定义 TMR I I I
分子 ＝ D1 D1 D2 D2
分母 ＝ D1 D2 D1 D2
Julliere公式（4）
TMR的公式（用自旋极化率 表示）
第一个电极 p1 D1 D1 D1 D1 第二个电极 p2 D2 D2 D2 D2
TMR实验结果
韩秀峰等 （2000）
隧道磁电阻
隧道磁电阻效应的物理机制
Julliere公式（1）
隧穿电流 （近似!）I ∝ 指数衰减部分×状态密度部分
上左图 FM电极的磁矩彼此“平行”
I exp A U0 D1 D2 D1 D2
（注意：数值大小是 D D d d ）
上右图 FM电极的磁矩彼此“反平行”
自旋电子器件—自旋场效应晶体管
自旋场效应晶体管摘要：自旋电子学是近年来新兴的备受关注的学科，其开展讲对未来电子工业开展起到重要作用。
本文介绍了以自旋电子学为根底的一种新型半导体器件—自旋场效应晶体管，简要介绍了其根本原理，研究现状，与电导特性，应用前景。
关键词：自旋电子学电光效应自旋注入效率引言：自旋电子学自1994年被确认为凝聚态领域的一个新型交叉学科而备受科学界和电子工业界的关注，具有广阔的应用前景。
自旋电子学的出现被称为是1999年物理学界十大重大事件之一，它的研究已经成为凝聚态物理、信息科学与新材料等诸多领域共同关注的研发热点，并将成为本世纪信息产业的根底，对未来的电子工业开展将起到举足轻重的作用。
作为现代信息产业根本元素的半导体器件，是以电子〔或空穴〕的电荷特征来传递信息，而电子自旋由于随机取向，因而不携带信息。
具体地说，通常电子在输运过程中由于碰撞而导致自旋磁矩在空间的取向混乱，因此在宏观输运性质中仅需要考虑电子具有电荷就足够了。
自旋电子学不仅利用电荷，而且需利用电子的自旋特性，它将通过操纵电子自旋来进展信息处理。
随着微加工技术和大规模集成电路的开展，电子器件的尺寸越做越小，当尺度在纳米X围内，自旋在很多方面要比电荷更优越，如数据处理快、能耗低、集成度高、稳定性好等。
因此，自旋电子将会逐步取代微电子而成为工业的主流。
自旋电子学器件的应用，特别是在计算机信息产业中的应用已取得了巨大的成绩，如利用巨磁电阻〔GMR〕效应做的磁头用在计算机〔2000年世界硬盘的产量已达2亿台〕硬盘存储上，使记录密度由1988年得50Mb/in开展到2003年的100Gb/in，提高了千倍之多。
这充分说明了GMR是未来外储存器市场最重要的类型产品，它将促进我国计算机技术的开展并带来巨大的经济效益。
此外，利用GMR效应制备的磁随机存储器〔MRAM〕作为计算机内存芯片将是下一步推进计算机技术开展的一场革命，并有可能取代半导体芯片。
1999~2001年，美国的IBM，摩托罗拉，德国的Infineon等公司先后研制成功了实用的MRAM芯片。
自旋电子学中的自旋输运与自旋轨道耦合
自旋电子学中的自旋输运与自旋轨道耦合自旋电子学是一门新兴的领域，它研究的是电子自旋在材料中的输运行为以及自旋与轨道耦合效应。
这一领域的发展不仅有助于深入理解材料的自旋特性，还为未来的量子计算和自旋器件提供了新的思路和机遇。
自旋输运是自旋电子学的重要组成部分。
通过应用外部磁场或自旋偏振光束，可以在材料中产生自旋极化。
这些自旋极化的载流子在材料内部输运过程中，会受到晶格散射、自旋松弛和与磁性材料相互作用等因素的影响。
因此，研究自旋输运现象不仅需要对材料的电子能带结构和散射机制进行深入理解，还需要开发新的材料和器件来实现自旋输运的控制和调控。
与自旋输运密切相关的一个概念是自旋轨道耦合。
自旋轨道耦合是由于电子自旋与其运动的轨道运动相互作用而产生的效应。
在晶体中，电子的运动轨迹受到晶格结构的限制，这就导致了电子的自旋与晶格的空间非均匀性相互作用。
这种自旋轨道耦合效应对于在材料中产生和控制自旋极化具有重要意义。
自旋轨道耦合不仅与材料的晶体结构有关，还与材料的化学成分和电子态密度分布有关。
例如，过渡金属氧化物和半导体材料中的重金属元素，由于其较高的自旋-轨道耦合效应，使得在这些材料中实现自旋输运和自旋相关效应更加容易。
此外，新型的二维材料和纳米结构材料的研究也为自旋电子学的发展带来了新的突破口。
自旋输运和自旋轨道耦合在实际应用上有着广泛的潜力。
首先，自旋电子学为开发更快、更高容量的存储器件提供了新的思路。
由于电子的自旋具有两个方向，因此可以通过自旋极化来存储更多的信息。
其次，自旋输运还可以用于信息传输和处理。
由于电子自旋具有一定的传输距离，因此可以通过自旋输运来实现信息的远距离传输。
此外，自旋轨道耦合还有助于实现量子比特之间的相互耦合，为量子计算提供了新的途径。
尽管自旋电子学在理论和实验方面都取得了很大的进展，但仍面临着许多挑战。
首先，研究自旋输运和自旋轨道耦合现象需要使用复杂的实验技术和精密的测量仪器。
其次，目前对自旋输运和自旋轨道耦合机制的理解仍然有限，需要进一步的研究来揭示其中的物理原理。
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
自旋电子学
后来,人们设计出一种三明治结构,使相邻铁磁层的磁矩 不存在(或只存在很小的)交换耦合,则在较低的外磁场 下相邻铁磁层的磁矩能够在平行与反平行排列之间变 换,从而引起磁电阻的变化,这就是所谓的自旋阀结构 (spin valve).自旋阀结构的出现,使得巨磁电阻效应的应 用很快变为现实.
12-318出品
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，即如何获得自 旋极化相干态（包括自旋注入） 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
12-318出品
理论部分 非对易量子力学
[xi , x j ]
i ijk
12-318出品
如果有磁通Φ穿过介观环 ,电子流过环时将发生干涉效应。 控制透射电子的自旋极化方向有两种方法 ,一科种方法是施加一定 大小的切向磁场 B,改变附加磁通的大小;另一种方法是选定附加磁 通的大小 ,调节切向磁场 B的大小。
既可以通过调节磁通也可以通过调节切向磁场来控制透射电子 的自旋极化方向 ,适当的调节可以使电子的自旋发生翻转。对于不 同的入射自旋态 ,这种装置可以用来控制极化自旋流或者充当自旋 开关
12-318出品
1995年,人们以绝缘层Al2O3代替导体Cr,在 Fe/Al2O3/Fe三明治结构中观察到很大的隧道磁 电阻(Tunneling Magnetoresis-tance,TMR)现象, 从而开辟了自旋电子学研究的又一个新方向.
12-318出品
12-318出品
•电子拥有自旋和电荷 •电子的逻辑装置采用电子的 带电性质 •电荷相互作用的能量在eV 级，而自旋相互作用在meV 级别 •基于电子的自旋性质的逻辑 运算的功率损耗要远小于基 于电荷性质的
物理学中的自旋电子学与自旋电子输运
物理学中的自旋电子学与自旋电子输运近年来，随着纳米科技的快速发展，自旋电子学作为一门新兴的跨学科研究领域，引起了物理学界的广泛关注。
自旋电子学主要研究电子的自旋特性以及与材料中的晶格结构和自旋轨道相互作用的关系。
自旋电子学的研究领域涵盖了自旋相关器件、自旋输运和自旋电子学材料等方面。
其中，自旋输运是该领域的核心问题之一。
自旋输运是指通过外加电场或磁场来操控电子的自旋状态，实现自旋信息的传输和处理。
与传统的电子输运不同，自旋输运中的电子不仅仅携带电荷，还携带着自旋信息。
在自旋电子学中，最重要的概念是自旋。
自旋是电子的一个内禀属性，类似地球围绕自转轴旋转一样。
电子的自旋可以有两个状态，即自旋上和自旋下。
这种自旋上和自旋下的超小量子态可以用来编码信息，实现自旋计算和存储。
因此，研究自旋电子学对于开发下一代信息存储与处理技术具有重要意义。
在自旋电子学领域，自旋输运的研究是非常关键的。
自旋输运可以通过材料的自旋轨道相互作用来实现。
自旋轨道相互作用是指电子的自旋与运动轨道的相互耦合。
这种相互作用使得电子的自旋方向受到了限制，从而影响了电子的输运行为。
自旋电子学中的自旋输运可以分为两种类型：弹性自旋输运和非弹性自旋输运。
弹性自旋输运是指电子在输运过程中不改变自旋状态。
非弹性自旋输运则是指电子在输运过程中发生自旋翻转。
研究者们通过设计特殊的材料结构和施加外加电场或磁场来控制自旋输运的过程，实现自旋的操控和传输。
自旋电子学的研究对于物理学的发展具有重要的影响。
通过自旋电子学的研究，科学家们可以开发出更小、更快、更高效的电子器件，实现更强大的计算和存储能力。
此外，自旋电子学的研究还有助于解决能源和环境问题。
例如，自旋电子学材料可以应用于磁性存储器件和磁性传感器，实现高密度数据存储和高灵敏度的磁场探测。
值得注意的是，自旋电子学研究领域还面临一些挑战。
首先，要寻找稳定的自旋电子学材料，并且能够在常温下实现自旋输运。
其次，要解决自旋输运中的自旋损失和噪声问题，提高自旋传输的效率和稳定性。