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
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" 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 %
%
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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效 率 的 JK , #$%&’())*+ 二 极 管 ! 通 过 PQ 谱 的 圆 偏 振角度检测自旋注入 电导率失配模型有一定的局限性% 首先! 该 部 ABCC 效应 $ 的干扰 % % 用 PQ 谱 检 测 自 旋 极 化 的优点是可以有效地避免实验中 其 他 因 素 #如 局
必要先对其发展作一个简要的回顾 "
"#$%&’ 和 (#)#%*#+ 在 ,-./ 年 就 用 铁 磁 金 属 0 1234/ 0 12 隧道结测量隧道磁阻 #"56 $ 证实了铁磁
金属导带电子的自旋极化
% 7&
" 这一研究结果极大
地促进了铁磁金属 8 隧穿势垒 0 铁磁金属结构的研 究" 如果隧穿过程是绝热的! 那么隧道结的电导 应该正比于两个铁磁层中每个子带的态密度的乘 积! 因此! 电导是自旋相关的" 这种结构具有存 储效应 ! 可以用作存储器件 "
GB$’HB 最 近 的 工 作 定 量 地 研 究 了 隧 道 结 有 效
注入的可能性
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% 如果势垒足够高 ! 那么在界面
的输运就取决于结两边电极的电 子 态 密 度 #要 求 态密度是自旋相关的 $% 如果通过界面的电流足够 小! 使电极处于平衡态! 那么! 自旋相关的电导 率比例对于界面处自旋输运的影响就很小 % 因此 ! 采用铁磁电极的金属 , 绝缘层 , 半导体隧穿二极管 或者是金属 , 半导体 %&’())*+ 势垒二极管可能成为 自旋注入到半导体内的有效的方法 % 有的研究小组开始研究半导体材料上外延铁 磁 薄 膜 ! 目 标 是 获 得 陡 峭 的 ) 高 质 量 的 %&’())*+ 势 垒 ! 大 部 分 的 研 究 集 中 在 5B#$ 上 外 延 JK 或
%&’())*+ 势垒的欧姆接触的材料之一 " 尽管做了大
量的研究 ! 铁磁 , 半导体欧姆接触的注入或者是微 乎其微! 或者是间接测量的" 到现在为止! 最好 的报道为 -./0 的极化注入 #!123 4 $%
<=>(’"$(" 等人提出利用半导体量子阱结构 中
电子自旋简并分裂的方法克服这一问题
% TU&
* 该器件是基于铁磁
!
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
%"""01#
" 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