自旋电子学功能材料进展 (1)
自旋电子学功能材料进展3
都有为
(南京大学固体微结构物理国家重点实验室,江苏省纳米技术重点实验室,南京210093)
摘 要:巨磁电阻效应的发现开拓了磁电子学的新学科,20世纪90年代,磁电子学得到迅速的发展,并在应用上取得显著的经济效益与巨大的社会效应,本世纪初,研究的重点已转移到半导体自旋电子学的新方向,并已取得重要的进展。本文将结合我们科研组的研究工作,概述从磁电子学到半导体自旋电子学材料的发展,重点介绍稀磁半导体材料研究的进展。
关键词:磁电阻效应 自旋电子学 磁电子学 半导体自旋电子学 稀磁半导体
Progress in Functional Materials for Spintronics3
D U Youw ei
(National Laboratory of Solid State Microstructures&,Jiangsu Provincial
Lab.for Nanotechnology,Nanjing University,Nanjing21009)
Abstract:A new research field of magnetoelectronics has been developed since the discovery of giant magnetoresistance. Magnetoelectronics has developed very rapidly during the90’s of the20th.It has got remarkable economic benefit and huge society results in applications.The semiconductor spintronics has become import new research domain and got very important progress in the first decade of new century.In this paper the development of spintronics from magnetoelec2 tronics to semiconductor spintronics has been introduced briefly emphasis on the dilute magnetic semiconductors also in2 cluded some research works in our group.
K ey w ords:magntoresistance,spintronics,magnetoelectronics,semiconductor spintronics,dilute magnetic semiconductors
引言
1988年报道了在(Fe/Cr)多层膜中发现巨磁电阻效应之后,引起了科学界广泛的兴趣与重视,迅速地发展成为一门新兴的学科-磁电子学,磁电子学与传统的电子学或微电子学的主要区别在于传统的电子学是用电场控制载流子电荷的运动,而磁电子学是用磁场控制载流子自旋的运动。巨磁电阻效应的发现为人们获得与控制极化自旋流开拓了现实的可能性。多层膜巨磁电阻效应是源于载流子在输运过程中与自旋相关的散射作用。继多层膜磁电阻效应后,颗粒膜、隧道结磁电阻效应以及锰钙钛矿化合物的庞磁电阻效应相继被发现或取得重大进展,自旋阀的多层膜结构使产生巨磁电阻效应的饱和磁场大为降低,从而开拓了磁电阻器件的新纪元,高密度的磁记录磁头,磁随机存储器,磁传感器,自旋晶体管等相继问世,并已取得显著的经济效益与巨大的社会效应。20世纪人类最伟大的成就是微电子工业的崛起,但从物理的观点看来它仅仅是利用了电子具有电荷这一特性,众所周知,电子不仅具有电荷同时又具有自旋,以往这二个自由度分别在电子学与磁学这2个领域中各显身手,而在磁电子学中这2个自由度同时在固体中被用上了,从物理的角度考虑,增加一个自由度意味着可以增添无数新颖的应用,极化自旋与电子电荷在固体内部受控的运动,导致磁与电在固体内部有机结合的新器件的诞生。为了在微电子器件中实现磁控的目的,必须将极化自旋注入到半导体中,近年来在这方面从材料到结构进行了多方面的探索工作,取得了一定的进展,这是从磁电子学向半导体自旋电子学发展的重要的趋势,尽管离实用还相当远,但其应用前景十分诱人,已成为国际研究的热点。自旋电子学应当包括磁电子学与半导体自旋电子学二个方面,自旋电子学中所涉及到产生自旋极化的纳米结构材料是一类新型的功能材料,这是自旋电子学重要的材料基础。从
第28卷2006年8月
第4期
1-6页
世界科技研究与发展
WOR LD SCI2TECH R&D
Vol.28
Aug.2006
No.4
pp.1-6
3基金项目:973项目“纳米材料和纳米结构”(G1999064508)国家自然科学基金资助项目(10374044)。
能带的观点看来,产生材料铁磁性的能带结构必须在费米面相应于二反向自旋具有非平衡的电子态密度,例如3d过渡族元素:Fe,Ni,Co等金属与合金,此外如Heusler合金,其通用式为X2YZ,其中X、Y 为3d过渡族元素,Z为Ⅲ、Ⅳ以及Ⅴ族元素,Half Heusler合金XYZ。其它如锰钙钛矿磁性化合物, CrO2,Fe3O4,EuO等化合物。为了有效的将极化自旋注入到半导体中,近年来稀释磁性半导体材料颇受青睐,已在宽禁带的半导体氧化物,如TiO2,ZnO 中掺入Mn,Fe,Co等3d过渡族元素发现了铁磁性,在常规半导体材料,如G aAs,InAs,G e,Si中掺入Mn同样发现了铁磁性,并用光发射二极管论证了稀磁半导体(Zn0191Be0106Mn0103Se)可以高效率的将极化自旋注入到G aAs半导体中。
本文将简洁地介绍新型功能材料-自旋电子学材料的进展。
1 磁电子学材料
上世纪末,美国科学院与工程院的科学家撰写论文[1],回顾了100年来在凝聚态物理领域中对人类社会的发展起重要推动作用的研究成果,其中在基础研究领域提到1857年发现的各向异性磁电阻效应,在应用技术领域中提到1988年发现的巨磁电阻效应[2],显见,磁电阻效应的发现与应用不仅具有深远的基础研究意义,而且具有现实而重要的应用前景。目前大致上将磁电阻效应分为:正常磁电阻效应(OMR);各向异性磁电阻效应(AMR);顺行磁电阻效应(PMR);巨磁电阻效应(GMR);隧道磁电阻效应(TMR);庞磁电阻效应(CMR);弹道磁电阻效应(BMR)这几类。磁电阻效应奠定了磁电子学的基础,磁电子学所涉及的主要是与自旋相关的输运性质,或磁输运性质(Magnetotransport),自旋极化是磁输运性质的核心,根据能带理论,费米面处自旋相关的态密度,对于非磁性金属,自旋朝上与自旋朝下的电子态密度是相同的,即电子的自旋是简并的,不存在自旋极化与净磁矩,但对于铁磁金属,由于交换作用,导致不同自旋取向的二个子带产生相对位移,所谓交换劈裂,从而在费米面二者态密度不等,二者态密度之差决定了磁化强度与自旋极化率。对磁性与非磁性材料的能带结构示意图见图1。因此,只有在磁性材料中才可能产生电子自旋极化,其中,多数载流子-指载流子自旋方向平行于磁化方向;少数载流子-指载流子自旋方向反平行于磁化方向
。
图1 磁性金属(钴)与非磁性金属(铜)能带结构的示意图
其中,多数载流子-指载流子自旋方向平行于磁化方向;
少数载流子-指载流子自旋方向反平等于磁化方向
通常定义自旋极化率P为在费米面处多数载流子的态密度(N↑)与少数载流子(N↓)归一化的态密度之差。
P=(N↑-N↓)/(N↑+N↓)
而自旋极化率与磁化强度M相关
M=μB∫(N↑-N↓)dE
P∝M(T)
与自旋相关的磁电阻效应,如巨磁电阻效应,隧道磁电阻效应等,与材料自旋极化率密切相关,高的自旋极化率对应于大的磁电阻效应。现将一些金属与合金的自旋极化率列于表1。
表1 3d过渡族金属与合金的自旋极化率
Metals Materials
M Ni Co Fe Ni80Fe20Co50Fe50Co84Fe16
P(%)334544485149 J.S.Moodera,G.Mathon,J MMM.,200(1999):248-273
由表1显见,3d过渡族金属与合金的自旋极化率为51%,其合金组成相应于最高的磁矩。从应用的角度出发,磁电子器件要求材料的磁电阻效应随磁场变化的灵敏度尽可能高,提高材料的自旋极化率是提高灵敏度的基础,尤其对逻辑应用的元器件,要求材料的自旋极化率能达到100%。自旋极化率取决于材料的能带结构,对3d过渡族金属与合金, 3d电子能带因交换劈裂而产生自旋极化,但其4p, 4s电子能带受交换作用的影响很少,电子自旋基本上是简并的,三者均参与输运过程中,因此从原则上考虑此类材料是不可能获得100%的自旋极化率。de Groot等人[3]通过能带计算,表明对于NiMnSb 类的半Heusler合金,费米面处的电子完全是多数
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图2 半金属CrO 2铁磁材料的能带示意图
自旋子带的电子,而少数自旋子带与费米面之间存在一能隙,显然这类材料自旋极化率应为100%,称为半金属材料(Half metal )。其导带完全由一种取向的自旋电子所构成,原则上输运电子是完全极化的。继后,理论上表明Heusler 合金(Co 2MnSi ,Co 2Mn G e ,Co 2MnSn ,Fe 2MnSi ),CrO 2,Fe 3O 4,以及
部分锰钙钛矿化合物等氧化物均为半金属材料,CrO 2的能带图见图2。
研究半金属材料已成为追求高自旋极化率的热点课题。然而实验表明此类材料的自旋极化率均难以达到理想的结果,兹将实验结果列表2如下:
表2 氧化物磁性材料的自旋极化率
Oxide compounds materials
M
CrO 2Fe 3O 4La 0.61Sr 0.23MnO 3P (%)90±3.6[a ]40[b]72[c ]a R.J.Soulou ,Science.282(1999)
,85
b A.Gupta ,J.Z.Sun ,J.MMM 200(1999):24-43c
D.C.Worledege and T.H.G eballe ,Appl.Phys.Lett 76(2000),900
这些半金属氧化物在低温具有较高的隧道磁电阻效应,但在室温其值甚低,为了探索室温条件下的具有高磁电阻效应的材料,我们用Zn 离子部分取代Fe 3O 4氧化物中的Fe 离子,生成锌铁铁氧体,在高温条件促使部分锌离子的挥发,而构成Zn x Fe 3-x
O 4/α-Fe 2O 3纳米复合结构,发现室温隧道磁电阻
效应可高达158%,在低温412K 其值为1280%[4],
见图3。
图3 (ZnFe )3O 4/α2Fe 2O 3纳米复相结构材料的室温磁电阻效应,插图为作为对比的相应组成单相条件下的磁电阻效应
曲线
该研究工作表明,通过离子的代换有可能获得室温条件下的高自旋极化率,但由于这种高温烧结而成的纳米结构,甚难重复,更为深入的研究工作,有待开展。
磁电子器件所用的磁性材料如3d 过渡金属与合金,氧化物磁性材料等,均是常规的人们所热知的材料,为什么以前没有发现与自旋相关的巨磁电阻
效应呢?原因是以往人们研究的材料均是宏观的尺寸,其尺度远大于电子自旋扩散长度,相应于电子在输运过程中自旋反向的行程,统计平均的结果将不呈现自旋极化的效应,对于金属磁性材料,其电子自旋扩散长度大约在100nm 左右,因此巨磁电阻效应只能在纳米结构的材料中呈现。材料人工纳米结构化,犹如点石成金,将普通的材料演变为具有特殊性
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能的新型功能材料。
2 半导体自旋电子学材料
20世纪最伟大的成就是微电子工业的崛起,迄今为止,不论集成电路或超大规模的集成电路中的半导体元器件,仅仅利用了电子具有电荷这一自由度,用电场控制载流子的运动,从而获得特定的功能。磁性与电性是通过外部的连接而耦合在一起的。长期以来人们梦寐以求磁性与半导体性能在固体内部进行耦合,20世纪60年代科学家就开展过磁性半导体材料的研究,其中包括反铁磁性的氧化物材料,亚铁磁性的铁氧体材料,以及硫族化合物等,发现了磁电阻效应,意味着在固体内部可以存在磁与电的耦合,尽管尚未找到合适的材料,但却为磁性与半导体特性合作现象的研究开拓了新领域。巨磁电阻效应的发现,无疑地为进一步研究磁性半导体注入了一剂强心针,在新形势下科学家换了新的思维,假如在半导体中进行输运的载流子不是自旋无规取向的电子,而是自旋极化的电子,那么可以同时利用电子具有电荷又具有自旋这二个自由度,不仅可以利用电场,而且可以利用磁场来控制载流子输运,自旋自由度的添加,将会产生难以估量的新型电子学器件的诞生,此外,电子在金属中的平均自由程约为10nm量级,但在半导体中电子的平均自由程可增加到10μm量级,十分有利于构建半导体自旋电子学器件,因此如何将极化电子注入到常规半导体中,就成为解决问题的焦点,现在,采用多层膜,隧道结的方法已可轻易地产生自旋极化电子流,当然首选的是将金属中的极化电子引入到半导体中,实验的结果并不理想,由于金属与半导体的电阻率相差近6个量级,阻抗不匹配,自旋极化电子难以注入到半导体中,其效率仅为1%左右,如采用自旋极化率为100%的半金属材料作为自旋注入源,理论上是十分有效的,但目前尚未实现,另一个方法是研制具有自旋极化的磁性半导体,即所谓稀磁半导体(Dilute magnetic semiconductors———DMS),这样阻抗匹配问题就迎刃而解,当今半导体工艺十分成热,一旦自旋极化电子能方便地注入到常规半导体中,自旋半导体电子学器件必将迅速发展。
对各类p型的半导体,掺入5%Mn,考虑通过正穴为中介,R KKY互作用而产生铁磁性交换作用,理论上估算居里温度如图4所示[5]。
通常稀磁半导体的制备是采用少量3d过渡族元素(Mn,Fe,Ni,CoV,Cr等)掺入到半导体材料中而产生铁磁性,但不过多地影响其半导体特性,大致上可分为以下几类
。
图4 p型半导体,掺入5%Mn,理论上估算的铁磁居里温度示意图[5]
2.1 TiO2基的DMS
TiO2为宽禁带氧化物半导体,具有三类晶体结构:金红石型(rutile),锐钛矿(anatase),板钛矿(brookite),锐钛矿型TiO2属n型高迁移率半导体,掺入少量Co后可在室温呈现铁磁性,Co x Ti1-x O2薄膜透明,高电导性,电阻率约为011～1Ω-cm[6～7],金红石型TiO2薄膜掺Co同样也发现铁磁性[8]。
2.2 ZnO基的DMS
ZnO属六角晶体结构,直接能隙结构的半导体氧化物,理论上估算居里温度高于室温,对Zn1-x Mn x O氧化物其能隙宽度随含Mn量而线性增加, Eg=31273+1132x(eV),其居里温度分别为30与45K,相应组成为x=011与013,均未超过室温[9]。以Co掺入ZnO,其居里温度可超过室温[10],稀磁ZnO半导体,具有光透明性,有可能在短波长光学领域得到应用。
我们科研组亦在CuO,SnO2等氧化物中掺Mn 发现室温铁磁性。
2.3 Ⅱ-Ⅵ族DMS
在Cd Te,Zn Te,Hg Te,CdSe,HgSe,CdS等Ⅱ-
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Ⅵ族半导体中,s,p电子参与输运过程,如3d过渡族元素掺入其中,由于s,p电子与d电子的互作用,可望获得铁磁性。如Zn1-x Cr x Te薄膜,其居里温度可超过室温[11]。Schmidt和Molenkamp[12]通过Zn0.91Be0.06Mn0.03Se稀磁半导体将自旋极化电子注入到G aAs半导体中,构成发光二极管,通过发射光的偏振性的测量,确定自旋注入的效率可达90%,从而论证了稀磁半导体是高效率的自旋极化注入体。
2.4 Ⅲ-Ⅴ族DMS
Ⅲ-Ⅴ族化合物是十分重要的半导体材料,例如:G aAs,InAs,G aN,InN,AlP等,这些半导体材料在光电子器件中已得到广泛的应用,人们自然十分感兴趣研究其稀磁半导体,已广泛报道的是以Mn 掺入获得铁磁性,如(G aMn)As,(InMn)As等,由于Mn的离子半径为1.40!,大于G a的离子半径(1122-1138!),Mn在G aAs中固溶度很低,为了提高固溶度,在制备上常采用低温非平衡生长的分子束工艺。目前报道的最高居里温度为160K[13]。2.5 Ⅲ-族DMS
Ⅲ-族元素的氮化物,与磷化物,如G aN,InN, G ap,AlP等是属于宽禁带的半导体材料,其三元与四元化合物是十分重要的光电子材料,掺入Mn后可生成相应的稀磁半导体,列表如表3。
表3 Ⅲ-族稀磁半导体的居里温度(Tc)[8]
Material Band gap Comments Tc(K)
(G a,Mn)N 3.4(eV)Mnincoporated by two ways228/370
(G a,Mn)N 3.4MBE,n-type>300
(G a,Mn)N 3.4MBE940
(G a,Cr)N 3.4MBE>400 (G a,Mn)P:C 2.2Implant or MBE>330
2.6 Ⅳ-族DMS
第四族元素,如G e,Si是微电子工业十分重要的基础半导体材料,它的稀磁半导体当然是更为引人瞩目。
Mn在G e,Si中的固溶度都是十分低的,而居里温度通常是正比例于Mn的掺入浓度,为了增加Mn在G e中的固溶度,可采用非平衡的生长工艺,为了避免Mn的析出降低基片的温度是十分有效的途径。Park等人[14]将Mn x G e1-x(100)单晶薄膜生长在G e与G aAs(001)的基片上。其居里温度随Mn离子浓度的增加而升高,当x=01006时,Tc为116K。最近,Cho等人[15]成功地提高Mn在G e中的浓度,x=0106,居里温度提高到285K。
Si是主流微电子工业的基础半导体材料,它的实用意义是不言而喻的,由于Mn在Si中的固溶度甚低,很少有Si的稀磁半导体研究的报道,我们科研组采用非平衡生长的工艺,成功地制备成SiMn 的稀磁半导体,Mn在Si中的浓度估计为x=0105,居里温度超过400K,低温与室温的磁滞回线见图5[16]。由于Si基半导体的制备工艺已达到炉火纯青的阶段,Si基稀磁半导体的研制成功必将有力地
促进自旋半导体电子学器件向实用化方向发展。
图5 Mn x Si1-x稀磁半导体的室温与低温(4.2K)下的磁滞回线[16]
目前对自旋注入材料的研制,主要开展稀磁半导体与半金属材料的研究这二条主线,均已取得一定的进展,但离实用化尚有相当的距离,材料、器件、应用与基础研究应当是一个有机的整体。
以上对稀磁半导体的研究进行了十分简洁的概括,这领域的文献已相当丰富,但对其表征还存在一些困惑,对真正的,有意义的稀磁半导体,传统的观点是产生磁性的3d过渡族原子(离子),应随机地或有序地分布于基质中,相互间存在耦合而呈现出铁磁性,其自旋应当是极化的,其磁性不应当由基质中可能产生的3d族原子(离子)团簇所提供,由于3d 元素掺入量很少,团簇的尺寸与数量均不会很大,用常规的X-射线难以判断是否存在团簇,目前认为较为可靠的检验方法是采用磁二向色性的测量(magnetic circular dichroism-MCD)[11],磁二向色性源于左、右旋圆偏振光吸收的差异,其强度线性地依赖于塞曼能级的分裂,正比例于磁化强度。此外,由于居里温度实验的数据突破了现有的理论的预期,理论上如何理解稀磁半导体磁性的来源,如何定量的计算,尚有待于新的理论框架问世。为了更好的理解与解释目前在稀磁半导体中相互不一致,甚
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至矛盾的实验结果,我们提出了关于稀磁半导体定义的新观点:即使稀磁半导体中存在团簇,并通过互作用导致自旋极化,同样可视为具有自旋极化的稀磁半导体,可作为自旋注入的自旋源。在理论上我们计算了团簇的尺寸、团簇内的交换作用以及载流子浓度对稀磁半导体居里温度的影响,论文已投寄学术刊物。
3 结束语
假如将1988年作为孕育自旋电子学诞生的起点,至今她已度过了18年的春秋,她揭开了辉煌的第一页-磁电子学的篇章,现在正漫步于宽广的半导体自旋电子学的庙堂之中,吸引着无数的科学家虔诚的朝拜。从物理的观点,在微电子器件的设计中增添自旋这一自由度,器件的性能除电控外尚可磁控,今后,必将涌现出难以估量的以自旋为基的新型器件。目前科学家可预见的应用领域罗列如下:
(1)自旋场效应晶体管(FET)
(2)自旋发光二极管(L ED)
(3)自旋共振隧穿器件(R TD)
(4)运行在千兆赫频段的光开关
(5)量子计算机与通信用的量子比特
(6)调制器,编码器,解码器等
自旋电子学正处于快速的发展时期,前程无量。材料是器件的基础,自旋电子学材料源于现有材料,经过纳米组装后,一跃而成为功能材料中的新葩。
参考文献
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(责任编辑:房俊民)
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自旋电子学简介
自旋电子学简介 今天，我们一起去听了王博士关于《自旋电子学简介》的讲座，通过这次的讲座，我对自旋电子学有了更加深刻的认识。 在传统的微电子学中,一般是利用电子的荷电性由电场来控制电子的输运过程的,而对电子的自旋状态是不予考虑的.为了能够进一步提高信息处理速度和存储密度,就必须对电子的自旋加以利用,由此发展出一门新的学科———自旋电子学。 自旋电子学(Spintronics or spin electronics)，亦称磁电子学(Magneto—electronics)，是一门结合磁学与微电子学的交叉学科。它是利用电子的自旋属性进行工作的电子学。早在19世纪末，英国科学家汤姆逊发现电子之后，人们就知道电子有一个重要特性，就是每一个电子都携带一定的电量，即基本电荷（e=1.60219x10-19库仑）。到20世纪20年代中期，量子力学诞生又告诉人们，电子除携带电荷之外还有另一个重要属性，就是自旋。电子的自旋角动量有两个数值，即±h/2。其中正负号分别表示“自旋朝上”和“自旋朝下”，h是量子物理中经常要遇到的基本物理常数，称为普朗克常数。 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。 事实上，半导体中有很多类型的自旋极化现象，如载流子的自旋，半导体材料中引入的磁性原子的自旋和组成晶体的原子的核自旋等等。从某种意义上说，已有的技术如以巨磁电阻（GMR）为基础的存储器和自旋阀都是自旋起作用的自旋电子学最基本的应用。但是，其中自旋的作用是被动的，它们的工作由局域磁场来控制。这里所指的自旋电子学则要走出被动自旋器件的范畴，成为基于自旋动力学的主动控制的应用。因为自旋动力学的主动控制预计可以导致新的量子力学器件，如自旋晶体管、自旋过滤器和调制器、新的存储器件、量子信息处理器和量子计算。从这个意义上说，自旋电子学是在电子材料，如半导体中，主动控制载流子自旋动力学和自旋输运的一个新兴领域。已经证明，通过注入、输运和控制这些自旋态，可以执行新的功能。这就是半导体自旋电子学新领域所包含的内容，它涉及自旋态在半导体中的利用。 对于目前的自旋电子学，令人感兴趣的两个重要的物理学原理是：自旋作为一个动力学变数，它有量子力学固有的量子特性，这些特性将导致新的自旋电子学量子器件而不是传统的以电子电荷为基础的电子学。另一个是与自旋态有关的长驰豫时间或相干时间。在磁性半导体中，自旋朝上的载流子浓度往往多于自旋朝下的载流子，这些载流子运动会产生所谓自旋极化电流。自旋极化电流的大小、存在的时间长短取决于许多因素，如材料的特性、界面、外场及温度等等。事实上，半导体中的载流子自旋可以通过局域磁场，或通器件的栅极改变外加电场，甚至通过偏振光地进行操作。这一事实，是开发自旋电子学应用的一个重要的物理基础。 半导体自旋电子学器件的目的之一是利电子自旋和核自旋很长的相干时间，并基于半导体器件来执行量子信息处理。用半导体实现量子计算机有很多优点，不仅仅因为它是固体材料，可适合于大规模集成，而且通过量子约束可以自由控制其维度，并允许用外场，如光、电或磁场改变其特性。本节将简介利用半导体中的自旋如何构造固体量子计算机的基本原理。 半导体自旋电子学（spintronics）作为半导体物理发展的新分支，目前主要在两个方面着重展开研究：半导体磁电子学和半导体量子自旋电子学。前者希望在最近的将来会有实际的结果，后者则已成为21世纪的重要研究论题。半导体自旋电子学作为信息处理
自旋电子学与自旋电子器件简述
自旋电子学与自旋电子器件简述 陈闽江，邱彩玉，孙连峰 （国家纳米科学中心 器件研究室 北京 100190） 一、引言 2007年10月，瑞典皇家科学院宣布，将该年度诺贝尔物理学奖授予在 1988年分别独立发现纳米多层膜中巨磁电阻效应的法国Albert Fert 教授和德国Peter Grunberg 教授。其随后的应用不啻为革命性的，因为它使得计算机硬盘的容量从几十兆、几百兆，一跃而提高了几百倍，达到几十G 乃至上百G 。越来越多的人开始了解这个工作及其对我们生活的影响，并意识到这个工作方向的重要意义。 1988年在磁性多层膜中发现巨磁电阻效应(Giant Magnetoresistance ，GMR)，1993年和1994年在钙钛矿锰氧化物中发现庞磁电阻效应(Colossal Magnetoresistance ，CMR)，特别是1995年在铁磁性隧道结材料中发现了室温高隧穿磁电阻效应(Tunneling Magnetoresistance ，TMR)以及后续形成的稀磁半导体等研究热潮，这些具有里程碑意义的人工合成磁性材料的成功制备和深入研究，不仅迅速推动了近20年凝聚态物理新兴学科——自旋电子学(spintronics)的形成与快速发展，也极大地促进了与自旋极化电子输运相关的磁电阻材料和新型自旋电子学器件的研制和应用。中国科学院物理研究所朱涛研究员表示：“Albert Fert 和Peter Grunberg 种下了一粒种子，随着20世纪90年代应用的突破，这粒种子长成了一棵小苗——自旋电子学，这是一个成长很快、前景广阔的磁学分支。” 二、电子自旋与自旋电子学 要阐明自旋电子学，就不得不先简述一下电子自旋这一概念。电子自旋不是电子的机械自转，电子自旋及磁矩是电子本身的内禀属性，所以也被称为内禀角动量和内禀磁矩。它们的存在标志电子还有一个新的内禀自由度。所以电子状态的完全描述不但包括空间三个自由度的坐标（r ），还必须考虑其自旋状态。更确切地说，要考虑自旋在某给定方向（例如z 轴方向）的投影的两个可能取值的波幅，即波函数中还应该包含自旋投影这个变量（习惯上取为），Z S 从而记为。与连续变量r 不同，只能取两个离散值。 (,)Z r s ψZ S 2± 接下来，认识电的和磁的相互作用在强度上的差异和不同的特点，可以了解自旋电子学的潜力。电荷周围存在电场，通过静电力和其他电荷发生相互作用，这种相互作用是强的和长程的。在常见的半导体中，两个相距5的元电A 荷间的相互作用能可达0.2eV ，它正比于距离的倒数。1V 的电压可使载流子1r 改变1eV 的能量。然而距离为5的一对电子自旋之间的磁偶极耦合能却只有A
自旋电子学研究与进展_詹文山
评述 自旋电子学研究与进展 3 詹 文 山 (中国科学院物理研究所 磁学国家重点实验室 北京 100080) 摘 要 自旋电子学是最近几年在凝聚态物理中发展起来的新学科分支,它研究在固体中自旋自由度的有效控制和操纵,在金属和半导体中自旋极化、自旋动力学、自旋极化的输运和自旋电子检测.由于它在信息存储方面的重大应用前景,受到学术界和工业界的高度重视.文章扼要地介绍了自旋电子学发展的历程和发展中的最重要的发现.最近几年,最奇特的发现和最重要的应用莫过于巨磁电阻,薄膜领域纳米技术的迅速发展使巨磁电阻的应用变成可能.作为磁记录头它已使硬磁盘的记录密度提高到170Gbit/in 2.动态随机存储器MRAM 的研究已实现16Mbit 的存储密度. 关键词 自旋电子学,巨磁电阻,磁隧道结,自旋阀 Recent progress i n spi n tron i cs ZHAN W en 2Shan (S tate Key L aboratory forM agnetis m ,Institute of Physics,Chinese acade m y of Sciences,B eijing 100080,China ) Abstract Sp intr onics is a new branch of condensed matter physics devoted t o studies on the manipulation of the s p in degree of freedo m in solids .It involves sp in polarization,s p in dynam ics,s p in trans port,and the detec 2tion of s p in polarized electr ons in metals and sem iconduct ors .Sp intr onics has attracted great attention fr om scien 2tists and manufacturers because of its potential app licati on in infor mati on st orage .A brief review of the develop 2ment of s p intr onics and its most i mportant discoveries will be given .The most exciting event in recent years may be the discovery of the giant magnetoresistance effect in metallic multilayer fil m s and the successful app lication of this effect to infor mation storage .Based on this effect,the magnetic recording density has been increased to 170Gbit /in 2 .A magnet oresistive random access memory of 16Mbit st orage density has als o been developed .These re 2sults clearly demonstrate the i m portance of sp intr onics for infor mati on technology .Keywords Sp intr onics,giant magnet oresistance,magnetic tunnel junctions,s p in valve 3 国家重点基础研究发展计划(批准号:2001CB610600),国家自 然科学基金(批准号:59731010)资助项目 2006-04-04收到初稿,2006-06-02修回 Email:wszhan@aphy .i phy .ac .cn 1 自旋电子学研究的历史回顾 电子具有电荷和自旋两种属性是人所共知的. 电子在电场中运动由于带有电荷而形成电流.导体在磁场中做切割磁力线的运动时,导体中产生电流.反过来,在磁场中的通电导体将产生垂直磁场的运动.从而发明电动机和发电机,成就了一个世纪的文明.在半导体中由于导带中的电子和价带中失去电子形成空穴的输运特性,构成P N 结,1947年发明半 导体晶体管,开创半导体电子学,打开了当代通信和数据处理技术发展的大门,奠定了现代信息社会的基础.所有这些都是基于电子具有电荷的属性.电子在完整晶体的周期性势场中运动是不受阻碍的,因而称为透明的.但是由热引起晶格振动或晶体中的各种缺陷,对电子散射而形成了阻碍.电子不受到散射的平均路程称为平均自由程.在低温下,金属的电
自旋电子学(汇编)
自旋电子学 一、什么是自旋电子学？ 自旋电子学是电子学的一个新兴领域，其英文名称为Spintronics，它是由Spin和Electronics两词合并创造出来的新名词。顾名思义，它是利用电子的自旋属性进行工作的电子学。早在19世纪末，英国科学家汤姆逊发现电子之后，人们就知道电子有一个重要特性，就是每一个电子都携带一定的电量，即基本电荷（e=1.60219x10-19库仑）。到20世纪20年代中期，量子力学诞生又告诉人们，电子除携带电荷之外还有另一个重要属性，就是自旋。电子的自旋角动量有两个数值，即±h/2。其中正负号分别表示“自旋朝上”和“自旋朝下”，h 是量子物理中经常要遇到的基本物理常数，称为普朗克常数。 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。 事实上，半导体中有很多类型的自旋极化现象，如载流子的自旋，半导体材料中引入的磁性原子的自旋和组成晶体的原子的核自旋等等。从某种意义上说，已有的技术如以巨磁电阻（GMR）为基础的存储器和自旋阀都是自旋起作用的自旋电子学最基本的应用。但是，其中自旋的作用是被动的，它们的工作由局域磁场来控制。这里所指的自旋电子学则要走出被动自旋器件的范畴，成为基于自旋动力学的主动控制的应用。因为自旋动力学的主动控制预计可以导致新的量子力学器件，如自旋晶体管、自旋过滤器和调制器、新的存储器件、量子信息处理器和量子计算。从这个意义上说，自旋电子学是在电子材料，如半导体中，主动控制载流子自旋动力学和自旋输运的一个新兴领域。已经证明，通过注入、输运和控制这些自旋态，可以执行新的功能。这就是半导体自旋电子学新领域所包含的内容，它涉及自旋态在半导体中的利用。 二、自旋电子学的物理学原理和挑战 对于目前的自旋电子学，令人感兴趣的两个重要的物理学原理是：自旋作为一个动力学变数，它有量子力学固有的量子特性，这些特性将导致新的自旋电子学量子器件而不是传统的以电子电荷为基础的电子学。另一个是与自旋态有关的长驰豫时间或相干时间。在磁性半导体中，自旋朝上的载流子浓度往往多于自旋朝下的载流子，这些载流子运动会产生所谓自旋极化电流。自旋极化电流的大小、存在的时间长短取决于许多因素，如材料的特性、界面、外场及温度等等。事实上，半导体中的载流子自旋可以通过局域磁场，或通器件的栅极改变外加电场，甚至通过偏振光地进行操作。这一事实，是开发自旋电子学应用的一个重要的物理基础。 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。
自旋电子学的综述
自旋电子学及其在半导体中的应用 摘要：自旋电子学主要研究电子自旋在固体物理中的作用，是一门结合磁学与微电子学的新兴交叉学科。其研究对象包括电子的自旋极化、自旋相关散射、自旋弛豫以及与此相关的性质及其应用等。本文简单介绍了自旋电子学的概念及其内容综述了自旋电子学目前的研究，尤其是半导体自旋电子学，集中讨论了使电子的自旋特性在半导体中获得应用，在半导体器件中实现自旋极化、注入、传送、操作和检测，最后对自旋电子器件的应用进行了展望。 关键词：自旋电子学自旋阀磁隧道结半导体自旋电子学 一．名词解释 1.自旋电子学[1](spintronics) 也称为磁电子学，是一门磁学和微电子学相交叉的新兴的学科，它研究具有某一自旋状态(自旋向上或自旋向下)的电子的输运特性，是当前凝聚态物理的热点领域之一。众所周知，电子除了带有电荷的特性外，还具有自旋的内禀特性，对于普通金属和半导体，自旋向上和自旋向下的电子在数量上是一样的，所以传统的金属电子论往往忽略电子的自旋自由度。 2.半导体自旋电子学[2] 电子同时具有电荷和自旋两种属性，电子的电荷属性在半导体材料中获得极大的应用，推动了电子技术、计算机技术和信息技术的发展。使电子的自旋特性在半导体中获得应用，在半导体器件中实现自旋极化、注入、传送、操作和检测，成为人们最关注的问题。最初人们企图用铁磁金属与半导体材料直接欧姆接触，把极化自旋流注入到半导体材料中去，但是由于肖特基势垒太高，注入效率极低。为了克服肖特基势垒，只有两个办法：寻找磁性半导体材料或利用隧道效应。 二．自旋电子学的起源 1857年Thomson发现了在多晶结构的Fe中，具有各向异性磁电阻效应[3](anisotropy magnetore．sistance，AMR)，而传统的微电子学的研究对象是普通金属和半导体，所以在研究电子的输运过程中，往往忽略电子的自旋。20世纪50年代人们在研究超导体时，将电子的自旋引入，认为参与超导输运的准粒
自旋电子学功能材料进展 (1)
自旋电子学功能材料进展3 都有为 (南京大学固体微结构物理国家重点实验室,江苏省纳米技术重点实验室,南京210093) 摘 要:巨磁电阻效应的发现开拓了磁电子学的新学科,20世纪90年代,磁电子学得到迅速的发展,并在应用上取得显著的经济效益与巨大的社会效应,本世纪初,研究的重点已转移到半导体自旋电子学的新方向,并已取得重要的进展。本文将结合我们科研组的研究工作,概述从磁电子学到半导体自旋电子学材料的发展,重点介绍稀磁半导体材料研究的进展。 关键词:磁电阻效应 自旋电子学 磁电子学 半导体自旋电子学 稀磁半导体 Progress in Functional Materials for Spintronics3 D U Youw ei (National Laboratory of Solid State Microstructures&,Jiangsu Provincial Lab.for Nanotechnology,Nanjing University,Nanjing21009) Abstract:A new research field of magnetoelectronics has been developed since the discovery of giant magnetoresistance. Magnetoelectronics has developed very rapidly during the90’s of the20th.It has got remarkable economic benefit and huge society results in applications.The semiconductor spintronics has become import new research domain and got very important progress in the first decade of new century.In this paper the development of spintronics from magnetoelec2 tronics to semiconductor spintronics has been introduced briefly emphasis on the dilute magnetic semiconductors also in2 cluded some research works in our group. K ey w ords:magntoresistance,spintronics,magnetoelectronics,semiconductor spintronics,dilute magnetic semiconductors 引言 1988年报道了在(Fe/Cr)多层膜中发现巨磁电阻效应之后,引起了科学界广泛的兴趣与重视,迅速地发展成为一门新兴的学科-磁电子学,磁电子学与传统的电子学或微电子学的主要区别在于传统的电子学是用电场控制载流子电荷的运动,而磁电子学是用磁场控制载流子自旋的运动。巨磁电阻效应的发现为人们获得与控制极化自旋流开拓了现实的可能性。多层膜巨磁电阻效应是源于载流子在输运过程中与自旋相关的散射作用。继多层膜磁电阻效应后,颗粒膜、隧道结磁电阻效应以及锰钙钛矿化合物的庞磁电阻效应相继被发现或取得重大进展,自旋阀的多层膜结构使产生巨磁电阻效应的饱和磁场大为降低,从而开拓了磁电阻器件的新纪元,高密度的磁记录磁头,磁随机存储器,磁传感器,自旋晶体管等相继问世,并已取得显著的经济效益与巨大的社会效应。20世纪人类最伟大的成就是微电子工业的崛起,但从物理的观点看来它仅仅是利用了电子具有电荷这一特性,众所周知,电子不仅具有电荷同时又具有自旋,以往这二个自由度分别在电子学与磁学这2个领域中各显身手,而在磁电子学中这2个自由度同时在固体中被用上了,从物理的角度考虑,增加一个自由度意味着可以增添无数新颖的应用,极化自旋与电子电荷在固体内部受控的运动,导致磁与电在固体内部有机结合的新器件的诞生。为了在微电子器件中实现磁控的目的,必须将极化自旋注入到半导体中,近年来在这方面从材料到结构进行了多方面的探索工作,取得了一定的进展,这是从磁电子学向半导体自旋电子学发展的重要的趋势,尽管离实用还相当远,但其应用前景十分诱人,已成为国际研究的热点。自旋电子学应当包括磁电子学与半导体自旋电子学二个方面,自旋电子学中所涉及到产生自旋极化的纳米结构材料是一类新型的功能材料,这是自旋电子学重要的材料基础。从 第28卷2006年8月 第4期 1-6页 世界科技研究与发展 WOR LD SCI2TECH R&D Vol.28 Aug.2006 No.4 pp.1-6 3基金项目:973项目“纳米材料和纳米结构”(G1999064508)国家自然科学基金资助项目(10374044)。
自旋电子学导论
自旋电子学导论 Introduction of spintronics 张裕恒 童伟 国家强磁场科学中心 中国科学技术大学
§1 磁电阻效应 (2) 1.1正常磁电阻效应 (2) 1.2铁磁金属的磁电阻效应 (3) 1.3磁性金属多层膜的巨磁电阻效应 (4) 1.4 颗粒膜，间断膜以及纳米固体的GMR效应 (8) 1.5自旋极化及隧道巨磁电阻效应（TMR） (9) 1.6其他磁阻效应体系 (10) §2样品制备 (12) 2.1 多晶陶瓷 (12) 2.2 单晶 (13) 2.3 薄膜 (14) §3 钙钛矿锰氧化物的物理性质 (16) 3.1 庞磁电阻（CMR）效应 (16) 3.2 晶体结构 (19) 3.3 电子结构和双交换作用 (22) 3.4 磁结构 (24) 3.5 磁输运行为 (27) 3.6 各种掺杂效应及电－磁－结构相图 (33) 3.7 电荷有序，轨道有序，自旋序 (45)
3.8 相分离 (50) 3.9 层状锰氧化物性质 (54) 3.10 锰氧化物理论研究 (59) §4 钴氧化物的磁性和输运性质 (67) 4.1 钴氧化物CMR效应的发现 (67) 4.2 晶体结构 (68) 4.3 电子结构与自旋态 (68) 4.3 磁性和输运行为 (70) §5 应用与技术 (74) §6 小结 (76) 参考文献 (76)
磁电阻效应的稀土钙钛矿氧化物 自1993年在钙钛矿锰氧化物薄膜中发现超大巨磁电阻效应(CMR) , 近10年来, 该体系得到了广泛而深入的研究, 至今仍是凝聚态物理方向的一个重要课题。这首先在于其广泛的应用背景, 如信息存储领域中的磁记录, 磁随机存储, 以及在磁传感器, 磁致冷上的应用, 都非常令人瞩目。此外, 这种材料体系中蕴含着丰富的物理内容, 如磁相变伴随着导电性转变, 双交换作用以及Jahn-Teller效应, 自旋序，电荷序, 轨道序，晶格效应，以及它们之间的相互耦合等等, 都在该体系中充分体现出来。这种复杂性正是物理研究者们的探求兴趣所在。 同样的钙钛矿氧化物，Co-基体系也表现出CMR效应。对这一体系的研究主要基于多变的Co自旋态现象。磁阻效应的发现, 更激起了对该体系研究的兴趣。Co系与Mn系的不同之处在于二者的电子结构和自旋配置不一样。这使得Co系的导电行为及磁性具有自己的独特之处。
半导体自旋电子学的最新研究进展
半导体自旋电子学的最新研究进展 1112 张家鑫许丽萍王忠斌范石伟 （1.中北大学理学院物理系山西太原 030051；2.内蒙古科技大学材料与冶金学院内蒙古包头 014010） 摘 要：自旋电子学起源于巨磁阻效应（GMR），目前已经成为凝聚态物理学领域的研究热点，其中半导体自旋电子学是自旋电子学中人们所关注的一个重要领域。从磁性半导体、自旋电子的注入、检测、输运等方面综述半导体自旋电子学的最新研究进展，并且指出目前半导体自旋电子学研究的重点及难点。 关键词：巨磁阻效应；电子注入；半导体自旋电子学；自旋输运 中图分类号：TN3 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2010）1010037－01 0 引言的偏振度，来确定电子的极化率[8]研究证明，光学方法最大的优点就是能 避免其它电学效应的影响。电学检测方法又分隧道结法、点接触发、1988年，在磁性多层膜中首次发现了巨磁阻效应[1]，特别是1995年 Tedrow-Meserey实验法、Andreev反射法，但是电学法采用了与被测材料直在铁磁隧道结材料中发现了室温隧穿磁电阻效应[2]，人们对电子自旋自由 接接触的结构，其界面存在较严重的自旋散射，还存在电导率的不匹配问度的研究势如破竹。现在研究电子自旋的控制与输运已经成为凝聚态物理 题，自旋极化电子的驰豫以及Hall效应的干扰的都是此方法的难点，最研究的热点之一，并由此发展成一门新的交叉学科——自旋电子学，也被 近，有人通过对伴随自旋流的其他物理量现象的测量来探测自旋流，比如称为磁电子学。目前已经研制成功的自旋电子器件：巨磁电阻、自旋阀、 实验中在室温下成功通过测量自旋流对Ni81Fe19薄层自旋弛豫的调制实现磁隧道结等，都是基于铁磁金属材料，与传统的电子器件相比，自旋电子 了在不需要材料微观参数的情况下对自旋流的测量[9]。 器件具有稳定性好，数据处理速度快，功率损耗低以及集成密度高的优 3 自旋霍尔效应 点。 由于铁磁金属难于发展具有放大功能的自旋晶体管，也难于实现自旋在外加电场下，材料中的自旋向上的电子和自旋向下上的电子由于各器件的集成制造和与传统微电子器件的一体化集成制造。因此人们认为半自形成的磁场方向相反，会各自在材料的相反两边形成自旋积累，这就是导体是研究自旋电子器件集成化最好的材料，于是就形成了今天的半导体自旋霍尔效应（spinhalleffect简写为SHE）如图1所示。 自旋电子学,成为当今物理领域研究的热点。然而，目前，对半导体自旋电 子的研究还处于理论和实验阶段，主要研究基本问题是如何实现半导体中 电子自旋的极化注入、检测、输运以及自旋流的产生。本文就半导体自旋 电子学的研究进展作一个简单的论述。 1 自旋电子的注入 制造自旋电子器件最关键的问题就是在不需要强磁场和室温情况下如 何把自旋极化电子从磁性半导体注入到非磁性半导体内。目前自旋电子的 注入来源主要有稀磁半导体、铁磁半导体以及铁磁金属，采用的注入方法 图1 自旋霍尔效应示意图 主要有五种：欧姆注入法；隧道结注入法，弹道电子自旋注入、热电子注 实验上已经观察到自旋霍尔效应，实验上通过测量自旋积累来探测自入，此外用稀磁半导体也能向非磁半导体内注入自旋极化电子，本文就介 旋霍尔效应，除了自旋共振技术[10]外，常利用电光效应和磁光效应，例绍一下以上几种方法的最新研究。 如法拉第效应就是一种典型的磁光效应，通过测量法拉第角即可求出样品由于半导体表面是重掺杂，导致了自旋反转的散射和自旋极化率的下 中的磁矩，该技术的高灵敏度可以检测由于外加横向电场引起的小的自旋降。因此欧姆注入法这种方法的自旋注入率很低。研究表明：到目前为 极化[11]，此外早在1999年有人提出电测量方案，通过测量电势差可求得止，用欧姆注入法最好的报道为4.5%的自旋极化注入效率[3]。最近，有人 样品上的横向自旋积累[12]。如今这种方法实验室已经实现，电流通过铋从Ni81Fe19薄膜向外延多层膜结构InAs形成的二维电子气中注入的自旋电子 时由于自旋霍尔效应在表面产生自旋积累，Ni81Fe19电极可探测到由自旋积借助紧邻的Ni81Fe19电极被探测到。在20k的温度下，InAs中的电子的自旋扩 累产生的化学势，该实验在3.0K下自旋霍尔效应电导率 和自旋注入率散长度是1.8 。Ni 81Fe19/InAs界面注入的电子自旋极化率为1.9%，甚至在 的乘积 [13]。 的值随温度上升而下降。这室温下仍保持在1.4%[4]。Hanbicki[5]等制备了Fe/AlGaAs/GaAs半导体量子 种对温度的依赖现象表明铋中的自旋霍尔效应是非本征自旋霍尔效应。本阱LED结构，实现从Fe到AlGaAs的自旋注入，注入效率可达30%因此，采用 实验实现了自旋积累信号向电压信号的转化，使自旋霍尔效应的电学测量FM-绝缘层-半导体隧穿二极管或者是金属/半导体Schottky势垒二极管可能 成为可能；还实现了大的逆自旋霍尔效应和自旋霍尔效应的产生和检测成为自旋电子注入到半导体的有效方法。近期有人从Fe（001）通过 [14]，室温下自旋霍尔电阻可达2.9m 。在应用方面，自旋霍尔效应为自Fe/ZeSe界面形成的反偏压肖特基隧穿势垒注入到n型掺杂的Fe/ZeSe（001） 旋电子注入和用电场控制自旋电子提供了一种新途径，提供了一种在半导中，自旋电子在n-ZeSe层输运300nm后进入GaAs中复合，在温度为20k， 体中传递信息的新方法，并有助于制造实用的自旋电子器件。 100k时测得电子的自旋极化率分别为55%和54%，GaAs中电子自旋极化率在 4 总结与展望 20-100k范围内与温度无关[6]。从Fe薄膜经Al2O3隧穿势垒注入到Si（001） 中，在5k温度下Si中的电子自旋极化率下限为10%，估计值可达到30%，并目前自旋极化电子的注入与检测的研究不是很成熟，无论是在理论还且直到125k，Si中的电子自旋极化率仍有较大值[7]。是在实验方面，存在许多问题有待于解决。影响注入效率的因素很多，包 2 自旋流检测括界面质量、缺陷和杂质密度。以及能带结构等，因此寻找好的自旋极化 电子来源的材料，研究出好的注入与检测方法，提高注入效率，提高居里目前，自旋流检测有光学检测和电学检测两种方法。其中比较成熟的 是光学检测方法，光学方法就是利用自旋极化的发光二极管和EL谱测量光（下转第31页）
自旋电子学简介
一、什么是自旋电子学？ 自旋电子学是电子学的一个新兴领域，其英文名称为Spintronics，它是由Spin和Electronics两词合并创造出来的新名词。顾名思义，它是利用电子的自旋属性进行工作的电子学。早在19世纪末，英国科学家汤姆逊发现电子之后，人们就知道电子有一个重要特性，就是每一个电子都携带一定的电量，即基本电荷（e=1.60219x10-19库仑）。到20世纪20年代中期，量子力学诞生又告诉人们，电子除携带电荷之外还有另一个重要属性，就是自旋。电子的自旋角动量有两个数值，即±h/2。其中正负号分别表示“自旋朝上”和“自旋朝下”，h是量子物理中经常要遇到的基本物理常数，称为普朗克常数。 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。 事实上，半导体中有很多类型的自旋极化现象，如载流子的自旋，半导体材料中引入的磁性原子的自旋和组成晶体的原子的核自旋等等。从某种意义上说，已有的技术如以巨磁电阻（GMR）为基础的存储器和自旋阀都是自旋起作用的自旋电子学最基本的应用。但是，其中自旋的作用是被动的，它们的工作由局域磁场来控制。这里所指的自旋电子学则要走出被动自旋器件的范畴，成为基于自旋动力学的主动控制的应用。因为自旋动力学的主动控制预计可以导致新的量子力学器件，如自旋晶体管、自旋过滤器和调制器、新的存储器件、量子信息处理器和量子计算。从这个意义上说，自旋电子学是在电子材料，如半导体中，主动控制载流子自旋动力学和自旋输运的一个新兴领域。已经证明，通过注入、输运和控制这些自旋态，可以执行新的功能。这就是半导体自旋电子学新领域所包含的内容，它涉及自旋态在半导体中的利用。 二、自旋电子学的物理学原理和挑战 对于目前的自旋电子学，令人感兴趣的两个重要的物理学原理是：自旋作为一个动力学变数，它有量子力学固有的量子特性，这些特性将导致新的自旋电子学量子器件而不是传统的以电子电荷为基础的电子学。另一个是与自旋态有关的长驰豫时间或相干时间。在磁性半导体中，自旋朝上的载流子浓度往往多于自旋朝下的载流子，这些载流子运动会产生所谓自旋极化电流。自旋极化电流的大小、存在的时间长短取决于许多因素，如材料的特性、界面、外场及温度等等。事实上，半导体中的载流子自旋可以通过局域磁场，或通器件的栅极改变外加电场，甚至通过偏振光地进行操作。这一事实，是开发自旋电子学应用的一个重要的物理基础。 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。 三、两个主要研究领域 半导体自旋电子学研究可分为两个领域：即半导体磁电子学（SME）和半导体量子自旋电子学（SQSE）。