自旋电子学课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,Ch 4 自旋电子学本讲（2学时）内容重点：,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,设想的自旋场效应晶体管 基本问题,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（1）（1）自旋注入,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。,基本问题的含义（2）（2）自旋传输,三种自旋注入实验,工作方式,实验器件,优点,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,三种自旋注入实验 工作方式实验器件优点困难1电注电检FM/,（,1,）电注入,电检测,（之一）,FM/Semic,界面,早期：效率太低，,1,P.R.Hammar et al,，,PRL 83,，,203,（,1999,）,S.Gardelis,et al,PRB 60,7764(1999),（1）电注入电检测（之一）FM/Semic 界面,（,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,）,（1）电注入电检测（之二）近期：,（,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（之一）实验：磁性半导体电注入 和 偏振,（,2,）电注入,光检测（之二）,场致发光强度（左）,极化度,（右）,（2）电注入光检测（之二）场致发光强度（左）,（,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（之一）Wolf S A Awscha,（,3,）光产生,光检测（之二）,（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“障碍”电注入的问题在那里？,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（1）结构：,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（2）简化：1维问题 （垂直界,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（3）自旋极化率定义,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（4）需要，计算“自旋相关的”电流密,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（5）为此，先要计算“自旋相关的”化,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，,i,1,，,3,。,X1,0,；,X3,X0,。,（）分别对应,1,，,3,。,Schmidt的计算模型（6）求解扩散方程,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（7）求解扩散方程（续）,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（8）代入扩散方程和Ohm定律，,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（9）得到了,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（10）计算结果,Schmidt,的计算模型（,11,）,数值结果分析（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,60,10,纳米,1000,纳米,10,2,80,100,纳米,10,纳米？,10,SC,电导,FM,电导,二者之比,材料因子,自旋极化率,1,10,3,10,3,10,5,2,10,5,1,10,3,10,3,10,2,1,10,2,Schmidt的计算模型（11）数值结果分析（材料因子分子,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,理解Schmidt“障碍”铁磁金属的电导是 半导体电导的1,铁磁,金属,半导体,金属比半导体,1,载流子浓度,高,6,7,个量级,2,迁移率,10,（？）,低,2,3,个量级,3,电导,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,),引言部分的 全金属晶体管问题（之二）(2)电流放大倍数,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,Rashba的解决“方案”Rashba PRB 62,R,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,进展成功：光注入光检测；电注入光检测；,弛豫时间长电子浓度低（半导体）,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。,进展（续）（3）磁性半导体 继续提高居里点和迁移率。,结束,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,。,人有了知识，就会具备各种分析能力，,自旋电子学课件,