[科普中國(guó)]-自旋注入

將一束高度自旋極化流從鐵磁性金屬有效地注入到半導(dǎo)體中，這個(gè)過(guò)程叫做自旋注入。自旋注入是實(shí)現(xiàn)自旋電子器件最基本的條件，隨著自旋電子學(xué)在磁性和非磁性金屬上的不斷發(fā)展，自旋注入半導(dǎo)體材料越來(lái)越受到人們關(guān)注。

背景簡(jiǎn)介電子除具有電荷屬性外，還具有內(nèi)稟的自旋屬性。將自旋引入傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件中，用電荷和自旋共同作為信息的載體，可以發(fā)展新一代的自旋電子器件。長(zhǎng)期以來(lái)，作為半導(dǎo)體和磁性材料最為重要的功能之一，信息處理與信息存取分別利用電子的電荷屬性和自旋屬性，兩者各自獨(dú)立地發(fā)展。但近年來(lái)，隨著電子器件的進(jìn)一步小型化和亞微米乃至納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，由于散熱和工藝尺寸等因素的影響，基于電荷載體的半導(dǎo)體微電子學(xué)的研究進(jìn)展受到很大限制，與此同時(shí)，金屬自旋閥中巨磁電阻和隧道磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了磁存儲(chǔ)和磁記錄領(lǐng)域的革命，并由此產(chǎn)生了圍繞電子自旋控制的跨越半導(dǎo)體和磁性材料的全新研究領(lǐng)域—自旋電子學(xué)。自旋電子學(xué)的研究已經(jīng)成為凝聚態(tài)物理、信息科學(xué)及新材料等諸多領(lǐng)域共同關(guān)注的熱點(diǎn)。

自旋電子學(xué)主要研究與電子電荷和自旋密切相關(guān)的過(guò)程，包括自旋源的產(chǎn)生、自旋注入、自旋輸運(yùn)、自旋檢測(cè)及自旋控制，最終實(shí)現(xiàn)新型的自旋電子器件，如自旋量子阱發(fā)光二極管、自旋p-n結(jié)二極管、磁隧道效應(yīng)晶體管、自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管、量子計(jì)算機(jī)等。自旋電子學(xué)領(lǐng)域所關(guān)心的核心問(wèn)題是利用系統(tǒng)材料與自旋相關(guān)的物理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)非磁材料自旋注入和對(duì)自旋的操控，探測(cè)單個(gè)自旋、自旋相干性和自旋的弛豫等。人們普遍利用磁性材料實(shí)現(xiàn)自旋注入與檢測(cè);光學(xué)方法也有一定的應(yīng)用，但基于電學(xué)方法的易于控制和實(shí)現(xiàn)以及現(xiàn)已發(fā)展相當(dāng)成熟的半導(dǎo)體技術(shù)，如何用電學(xué)方法在半導(dǎo)體材料中有效地控制電子自旋，引起人們的極大關(guān)注。1

自旋注入簡(jiǎn)介自旋注入是實(shí)現(xiàn)自旋電子器件最基本的條件，隨著自旋電子學(xué)在磁性和非磁性金屬上的巨大成功，自旋注入半導(dǎo)體材料越來(lái)越受到人們關(guān)注。磁性材料俘導(dǎo)體界面的自旋注入是最基本的半導(dǎo)體自旋注入結(jié)構(gòu)。作為自旋極化源的磁性材料有鐵磁金屬、磁性半導(dǎo)體和稀磁半導(dǎo)體三種。磁性半導(dǎo)體有較高的自旋注入效率，但是磁性半導(dǎo)體（如硫化銪）的生長(zhǎng)極其困難，因此研究就集中在從稀磁半導(dǎo)體和鐵磁金屬向非磁半導(dǎo)體內(nèi)的注入。稀磁半導(dǎo)體的鐵磁轉(zhuǎn)變溫度遠(yuǎn)低于室溫，雖然理論預(yù)測(cè)某些材料的鐵磁轉(zhuǎn)變溫度可以高于室溫，但是在開發(fā)出可以在室溫下應(yīng)用的稀磁半導(dǎo)體之前，鐵磁金屬/半導(dǎo)體的接觸仍然是實(shí)現(xiàn)從自旋注入、操縱到檢測(cè)全部電學(xué)控制的最有希望的方法。

注入方法歐姆式注入歐姆式注入，又可稱作直接式或擴(kuò)散式注入。在一個(gè)鐵磁性的金屬中，多數(shù)自旋向上的導(dǎo)電性與少數(shù)自旋向下的電子有著本質(zhì)的不同，引起自旋極化的電流。對(duì)于自旋注入最直接的方法就是在鐵磁性的金屬和半導(dǎo)體之間形成一個(gè)歐姆式接觸，以形成電流。但是典型的金屬一半導(dǎo)體的歐姆式接觸是在摻雜的半導(dǎo)體表而，引起了載流子的自旋翻轉(zhuǎn)散射，造成自旋極化度的損失。

為此，最早的研究利用化學(xué)勢(shì)和金屬相差不多的半導(dǎo)體材料InAs和鐵磁金屬以歐姆接觸的形式結(jié)合起來(lái)，InAs是少數(shù)幾種可以和過(guò)渡金屬形成陡峭界面且無(wú)Schottky的歐姆接觸材料之一。盡管做了大量的研究，仍然只能在溫度小于10K下得到4.5%的自旋極化注入。

由于金屬比半導(dǎo)體的電導(dǎo)大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因而根據(jù)歐姆定律，電流主要由電阻大的部分，即半導(dǎo)體部分的電阻決定，由于自旋向上和向下的兩分支電流在半導(dǎo)體部分的電導(dǎo)基本相同，所以兩分支電流也就相差不多，因而自旋注入效率當(dāng)然很低。只有當(dāng)鐵磁體中的載流子是100%極化時(shí)，才有可能在擴(kuò)散輸運(yùn)中得到有效的自旋注入。

電導(dǎo)率失配模型有一定的局限性。首先，該模型是建立在漂移擴(kuò)散輸運(yùn)基礎(chǔ)上的，并不適用于彈道輸運(yùn)和隧穿輸運(yùn)；其次，該模型假設(shè)界面是沒(méi)有電阻的，沒(méi)有考慮金屬俘導(dǎo)體接觸可能形成的自旋相關(guān)的界面電阻，而界面電阻的性質(zhì)是決定自旋注入的重要因素。因此，不能根據(jù)這一理論斷定鐵磁金屬向半導(dǎo)體內(nèi)的自旋極化注入是不可行的。

隧道注入隧道注入，通過(guò)異質(zhì)結(jié)的自旋注入已經(jīng)不是一個(gè)新課題。關(guān)于鐵磁性金屬和金屬結(jié)（FM/M）與鐵磁性金屬和超導(dǎo)金屬結(jié)（FM/SM）的理論已經(jīng)成功地建立，并顯示出了很好的結(jié)果。而近來(lái)對(duì)于關(guān)鍵的鐵磁性金屬和半導(dǎo)體結(jié)的研究表明，在利用有磁性探頭的掃描隧道顯微鏡（STM）時(shí)，發(fā)現(xiàn)真空的隧道結(jié)能夠有效地將自旋注入電子中，隧道結(jié)的邊界還能保存自旋極化。因此，它有可能是比擴(kuò)散性傳送好得多的方法。

理論研究指出，如果一個(gè)界而上的阻抗很高的話，傳送效果就會(huì)由參與隧道過(guò)程中兩個(gè)電極基于自旋的電子狀態(tài)所決定。通過(guò)界而的電流會(huì)很小，電極處于平衡，相對(duì)導(dǎo)電性較好的電極也不會(huì)對(duì)自旋傳輸起到限制作用。因此，一個(gè)金屬一絕緣體-半導(dǎo)體二極管或者一個(gè)金屬一半導(dǎo)體二極管和鐵磁性金屬電極的搭配，都被認(rèn)為是一個(gè)將自旋注入半導(dǎo)體的好方法。理論計(jì)算也證實(shí)了這個(gè)結(jié)論。

實(shí)驗(yàn)表明，在100K下，用一個(gè)100%自旋極化的STM探頭作為電子源將極化的電子注入P型GaAs的表面，并同時(shí)記錄下了重組發(fā)光的極化程度，結(jié)果表明，高度自旋極化流（92%）能夠被注入GaAs。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

陳紅 - 副教授 - 西南大學(xué)