自旋电子学ppt课件.ppt
Ch 4 自旋电子学,本讲（2学时）内容重点：（1）基本问题 自旋的注入、输运和检测（2）注入的障碍,设想的自旋场效应晶体管,基本问题（比较MOSFET）源-自旋注入通道-自旋传输漏-自旋检测门-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（1）,（1）自旋注入 “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 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）,基本问题的含义（2）,（2）自旋传输 自旋电流从FM电极注入半导体， 会在界面和半导体内产生“累积” 自旋弛豫机制 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！（3）自旋检测 自旋状态的改变。,三种自旋注入实验,（1）电注入电检测 （之一）,FM/ Semic 界面 早期：效率太低，1P. R. Hammar et al，PRL 83，203（1999）S. Gardelis, et al, PRB 60,7764 (1999),（1）电注入电检测 （之二）,近期：FM肖特基势垒SC， 据称效率达到 30。别人尚未重复！A. T. Hanbickia) et al APL 80，1240 （2002）,（2）电注入光检测（之一）,实验：磁性半导体电注入 和 偏振光检测 (Nature 402 (1999)790; ibid. 408 (2000)944)产生： P型(Ga,Mn)As 的自旋极化空穴 和N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。 （T=6K; H=1,000 Oe） 检测：偏振光检测,（2）电注入光检测（之二）,场致发光强度（左）极化度（右）,（3）光产生光检测（之一）,Wolf S A Awschalom et al， Science，2001，294，1488强激光Pump在半导体中，产生了 Spin-polarized state, 此时的半导体等效于”磁体”. 可以用Farady-Kerr 效应做光检测Probe.,（3）光产生光检测（之二）,Schmidt “障碍”,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”。“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。”,Schmidt的计算模型 （1）,结构：FM金属（1）/ 半导体（2） / FM 金属（3） 第一界面， 为 X 0，第二界面， 为 X X0 两流体模型！,Schmidt的计算模型（2）,简化： 1维问题 （垂直界面方向）任务： 首先，计算各个区域的“化学势” 和“自旋极化电流” 其次，计算半导体区域电流的 “自旋注入的效率” 问题：电流、化学势、边条件、电导率失配？,Schmidt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：电流密度 是材料、自旋和坐标的函数。,Schmidt的计算模型（4）,需要，计算“自旋相关的”电流密度 。自旋极化电流服从Ohm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（！）,Schmidt的计算模型（5）,为此，先要计算“自旋相关的”化学势 。化学势服从扩散方程,Schmidt的计算模型（6）,求解扩散方程 对于铁磁材料区，化学势的形式解是： 这里，i1，3。X1 0； X3 X0。 （）分别对应 1，3 。,Schmidt的计算模型（7）,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,Schmidt的计算模型（8）,代入扩散方程和Ohm定律，利用边界条件求解：电流连续： 电荷守恒： 化学势相等 化学势相等,Schmidt的计算模型（9）,得到了 和 的方程，如下半导体区域的 电流自旋极化度,Schmidt的计算模型（10）,计算结果半导体区的电流密度“自旋极化率”,Schmidt的计算模型（11）数值结果分析（材料因子分子小分母大）,理解Schmidt “障碍”,铁磁金属的电导是 半导体电导的1000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,引言部分的 全金属晶体管问题（之一）,制造的困难 比较半导体Si PN结 势垒电压 ， N施主浓度 ， p受主浓度 结的势垒宽度,引言部分的 全金属晶体管问题（之二）,(2) 电流放大倍数 相应的集电极电流变化 / 基极电流的变化（载流子的扩散长度 / 基区有效宽度）的平方平均自由程20纳米，基区有效宽度 100纳米结论：不可能大于 1。即，没有效 益。 （半导体扩散长度 基区有效宽度 ),Rashba的解决“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,成功：光注入光检测； 电注入光检测；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？）（2）自旋弛豫时间 GaAs中，达到 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）,（3）磁性半导体 继续提高居里点和迁移率。（4）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。,
