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
子是费米面附近两个自旋相反，动量也相反的电子所组成的库柏对，建立了著名的BCS理论，但是BCS理论虽然将电子的自旋自由度引入到输运过程中，但是在库柏对中，电子是成对出现的，并没有去严格区分两种不同自旋的电子在输运中的差别。
在20世纪80年代，1986年，德国的Grtinberg等人在研究Fe/Cr/Fe薄膜中自旋波的光散射时，发现随着Cr的厚度改变，Fe/Cr/Fe中两个Fe层存在反铁磁耦合控[4]。随后在法国工作的Baibich等人用分子束外延的方法制备了Fe/Cr多层膜并研究其电阻特性[5]。当cr的厚度为0.9 nm时，他们发现在T=4.2K温度下，薄膜的电阻值随外加磁场的增加而减小，当外磁场大于2 T后，其电阻值几乎只有原来未加磁场时的一半，这种磁电阻效应可以用自旋相关散射和双电流模型来解释。
考虑到两个不同自旋取向的电子在界面处所受到的散射是不同的，假设当自旋取向与铁磁层的磁化方向相同时，电子所受到的散射较小，而另一种自旋取向的电子所受到的散射较大；那么在Fe/Cr多层膜中，当存在反铁磁耦合时，相邻Fe层的磁化方向是反平行的，这样两个自旋取向的电子所受到的散射都较大，所以系统处于高电阻状态当外磁场较大时，所有Fe层的磁化方向将转到外场的方向，这时有一种自旋取向的电子所受到散射很小，而另一种电子所受到的散射很大，系统总的电阻可以看成这两种电子电阻的并联，因而系统处于低电阻状态。
图1：系统处于两种不同阻态时的磁化散射
由于Fe／Cr多层膜中的这种磁电阻效应很大，比一般的铁磁金属的各向异性磁电阻大1个数量级，所以人们把这种效应叫做巨磁电阻效应(giant magnetoresistance，GMR)。巨磁电阻效应的发现，是自旋电子学发展史上的里程碑。
三．国内外对自旋电子学的研究现状及研究方向
3.1 国内外的研究现状
3.1.1 国内研究现状
1998年，国家自然科学基金委员会设立了“巨磁电阻物理、材料研究及其在信息技术中应用”重大项目[6]。
2001年，国家科技部在国家重点基础发展规划项目中设立了“自旋电子材料、物理以及器件研制”项目[6]。
3.2.2 国外的研究现状
1991年，B、Dieny利用反铁磁层交换耦合，提出了自旋阀结构 J，并首先在(NiFe／Cu／NiFe／FeMn)自旋阀中发现了一种低饱和场巨磁电阻效应。
1995年，美国DARPA计划中设立了GMR合作计划，目的是探索将GMR器件应用到各种传感器和存储器等方面，最终目标是制造出大小为6.45 cm2、读取时间小于100 as的容量为16 K的非丢失性的磁性随机存储器芯片。
2000年，Chiba等利用Mn5.5％的GaAs稀磁半导体和作绝缘层的三明治结构的隧道结，获得磁电阻TMR在20K温度下为5.5％，居里温度为11OK。
2001年，Tanaka等在隧道结中获得TMR值为70％，超过了氧化铝为绝缘层的FM/I/FM的TMR值，引起人们极大兴趣。
2001年，Zhu等通过Fe膜与GaAs膜之间的隧道效应，把自旋电子注入到半导体中，通过电子发光的反转，获得室温下自旋有效注入为2％。Dijken等在GaAs 半导体上制备了磁隧道结，得到集电极磁电阻变化的百分数，其中和分别为两个铁磁层磁化强度平行和反平行时的集电极电流。
2004年，Yamanouchi等用做成特殊设计的结构，用自旋极化电流驱动磁畴壁，控制磁化强度反转，构成磁信息存储器件。
3.2 国内外的研究方向
3.2.1 GMR自旋阀[7]
1988年GMR效应在Fe/Cr金属多层膜中的发现引起了各国科学家的注意，人们从理论和实验上对多层膜GMR效应展开了广泛而深入的研究。为了使GMR材料的饱和磁场(H )降低，人们除了采用降低耦合强度及选用优质软磁作为铁磁层等途径外，还提出了非耦合型夹层结构。1991年，B、Dieny利用反铁磁层交换耦合，提出了自旋阀结构，并首先在(NiFe/Cu/NiFe/FeMn)自旋阀中发现了一种低饱和场巨磁电阻效应。
图2：自旋阀的结构示意图及磁滞回线曲线图
在外磁场作用下的磁滞回线和磁电阻变化曲线图，自旋阀的基本结构为F/N/F:AF；两个铁磁层F和F*被较厚的非铁磁层N隔开，因而使F*与F问几乎没有交换耦合。F称为自由层，F*称为被钉扎层，其磁矩M 被相邻反铁磁层AF的交换耦合引起的单向各向异性偏场所~T-J：L；当F*为优质软磁材料时，其M以在很弱的磁场作用下相对于F，改变方向，从而获得较大的GMR。
这种非耦合型自旋阀具有如下优点：1)磁电阻变化率AR／R 对外磁场的响应呈线性关系，频率特性好；2)饱和场低，灵敏度高．虽然自旋阀结构的磁电阻变化率不高，通常只有百分之几，但较低的饱和场可以使磁场灵敏度高达1％Oe 以上；3)自旋阀结构中铁磁层的磁矩的一致转动能够有效地克服巴克毫森效应，从而使信噪比大大提高，自旋阀中出现GMR效应必须满足这样的条件：
①传导电子在铁磁层中或在E铁磁界面上的散射概率必须是自旋相关的；
②传导电子可以来回穿过两铁磁层，并fll~i,B住自己的自旋取向，即自旋平均自由程大于隔离层厚度。
3.2.2 磁隧道结(TMJ)[8]
磁隧道结通常是指由两层磁性金属(FM)和它们所夹的一层氧化物绝缘层(I)所组成的三明治结构(FM/I/FM)，其磁隧道结的结构示意图如下：
图3：磁隧道结的结构示意图
通过绝缘层势垒的隧穿电子是自旋极化的，可以产生较大的磁电阻效应(TMR)。FM/I/FM 隧道结最初是由Slonczewski 于1975年提出来的。Julliere 认为，在隧道结中，如果两铁磁电极的磁化方向平行，则一个电极中费米能级处的多数自旋态电子将进入另一个电极中的多数自旋态的空态，同时少数自旋态电子也从一个电极进入另一个电极的少数自旋态的空态，即磁化平行时，两个铁磁电极材料的能带中多数电子自旋相同，费米面附近可填充态之间具有最大匹配程度，因而具有最大隧道电流。如果两电极的磁化反平行，则一个电极中费米能级处的多数自旋态的自旋角动量方向与另一个电极费米能级处的少数自旋态的自旋角动量平行，隧道电导过程中一个电极中费米能级处占据多数自旋态的电子必须在另一个电极中寻找少数自旋态的空态，因而其隧道电流变为最小。
通常，TMR 可以表示为：
P P P P R R R R R TMR A P A A 12
112+=-=?=
其中：RA 和RP 表示磁化反平行和平行时的磁电阻，P1和P2为两个铁磁电极的自旋极化率。
可以看出，只有P1和P2均不为零才能在磁隧道结中观察到磁电阻效应；两个磁电极的自旋极化率越大，TMR 值就越高。计算发现，在铁磁体和绝缘体的界面处因绝缘体势垒的有限高度而强烈影响隧穿电子的自旋方向。这表明，要得到大的TMR 值，除了构成磁隧道结的网个铁磁电极中的磁化可以在外磁场作用下任意改变方向以及磁电极的自旋极化率尽可能大外，还要求中间氧化层势垒必须足够高。
四．研究的热点
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）如图所示。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。
4.1 自旋电子的注入[9]
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。
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：到目前为止，用欧姆注入法最好的报道为4.5%的自旋极化注入效率。近期有人从Fe（001）通过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）中，自旋电子在n-ZeSe层输送300nm后进入GaSa复合，在温度为20k，100k时测得电子的自旋极化率分别为55%和54%，GaSa中电子自旋极化率在20-100kv范围内与温度无关。从Fe薄膜经Al2O3遂穿势垒注入到si（001）中，在5k温度下si中电子自旋极化率下限为10%，估计值可达到30%，并且直到125k，si中的电子自旋极化率仍有较大值。
4.2 自旋流检测
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谱测量光的偏振度的偏振度，来确定电子的极化率。
研究证明，光学方法最大的优点就是能在铁磁隧道避免其他电学效应的影响。电学检测方法[11]又分为隧道结点法、点接触法、Tedrow-Meserey实验法、Andreev反射法，但是电学法采用了与被测材料直接接触的结构，其界面存在较严重的自旋散射，还存在电导率的不匹配问题，自旋极化电子的弛豫以及Hall
效应的干扰都是此方法的难点，最近，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，比如实验中在室温下成功通过测量自旋流对Ni8iFeI9薄层自旋弛豫的调制实现了在不需要材料微观参数的情况下对自旋流的测量。
4.3 自旋霍尔效应
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，这就是自旋霍尔效应（spinhalleffect简写为SHE）如图1所示。
图4：自旋霍尔效应示意图
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旋霍尔效应，除了自旋共振技术[12]外，常利用电光效应和磁光效应，例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极化，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样品上的横向自旋积累。
如今这种方法实验室已经实现，电流通过铋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的乘积。
五．自旋电子学的实际应用
几年来，随着自旋电子学的研究领域不断拓宽，其应用的范围也愈加广泛，尤其是把铁磁体和半导体、光学材料结合后，可以开发出全新的、更微型化的电子器件，如自旋场效应晶体管(Spin．FET)、自旋发光二极管(Spin—LED)，由于磁电阻效应研究的时间最长，所以磁电阻效应的应用也是走在最前列的。自旋电子学的应用多种多样，在此仅介绍一些典型的应用器件[13]。
1．磁性传感器
磁性传感器在许多商业市场和科研活动中起着重要的作用，在汽车工业、航天工业，医疗、自动化控制等领域，都会用到磁性传感器。磁性传感器的种类很多，包括线圈型磁传感器、磁通传感器、SQUID传感器、霍尔传感器、磁电阻传感器、磁光传感器等，这些传感器的精度和工作条件亦各不相同：例如SQUID器
件能够测量10一4T的微弱磁场，不过测量需要在低温下进行。磁电阻传感器能够在108Hz的高频场下工作，而且功耗只有100 mW。GMR传感器一个比较典型的应用实例是在汽车的“防抱死刹车”系统中，用来精确测量并控制汽车在刹车过程中的运动速度，防止车轮从高速转动状态因突然停止下来而造成失控。
2．磁记录读出磁头
到目前为止，我们所使用的信息存储介质大多数为磁性材料，这是因为磁性材料具有保存时间长、读写方便、生产成本低的特点．磁性材料内部可以分成很多个磁畴，根据各个磁畴的磁化方向不同，可以将信息存储其中．在读取信息时，由读出磁头感知磁畴的磁化状态，转化成电信号进行处理。最初的读出磁头是根据电磁感应的原理来实现信息的读取，随着磁盘记录密度的不断提高，每个磁记录单元的尺寸减小到亚微米尺寸，这些微小的记录单元所产生的散磁场很微弱，为mT量级；
另一方面，磁盘的小型化使其线速度减低，以致于传统的感应式磁头无法得到足够的信噪比，因此，磁电阻及巨磁电阻读出磁头就成为实现超高密度磁记录的关键技术及唯一有效途径。1989年，人们利用AMR读出头使磁盘记录面密度达到1Gb／in2，由于GMR材料的磁电阻比AMR材料大一个数量级，用GMR材料制成的读出磁头可以使磁盘记录面密度进一步提高。1999年，IBM公司利用GMR读出头使磁盘的记录面密度达到12 Gb／in2。最近，研究表明，在自旋阀结构中插入l nm 左右厚度的氧化层(NOL)后，由于氧化层具有镜面反射效应，可以使其磁电阻达到20％以上。
3．非挥发性存储器
非挥发性(nonvolatfle)是指在系统没有供电的情况下，存储的信息不会随之消失的性质。目前应用最广泛的菲挥发性存储介质是我们日常所用的磁盘和磁带这些外设存储器，事实上，在最初的计算机中，其内存也是由磁性材料制成的非挥发性存储器。这种内存是有一些微小的铁氧体磁环构成的，在每个磁环上绕有细的铜线，是存储器的一个位，当在铜线中加入一个脉冲电流时，可以使磁环的磁化方向沿顺时针或逆时针，分别代表“0”和“1”，虽然这种存储器是非挥发性的，但是存储密度很小，功耗大，在70年代后被半导体存储器所替代。随着在磁性多层膜中发现GMR效应，以及后来在磁性隧道结中发现隧穿磁电阻效应(tunneling magnetoresis—tance，TMR)，人们认识到通过改变两个铁磁层的相对磁化方向，可以使系统处于低电阻态(两铁磁层M平行时)或高电阻态(两铁磁层M反平行时)，分别代表?’和“1”，就可以用来制成存储器。这种磁存储器(MRAM)的各种性能完全可以和现在所使用的半导体动态及静态随机存储器(DRAM，SRAM)相媲美，同时又具有非挥发性的优点。因此，磁存储器将成为新一代的随机存储器，在未来的信息领域发挥其作用。
六．未来的研究发展方向
人类利用电子的荷电性在半导体芯片上创造了今天的信息时代，而同时利用电子的自旋特性和荷电性无疑会给目前的微电子器件带来一场薪的革命，同时也会给我们带来更多、更大的挑战，对于未来自旋电子学在半导体的应用[15]，主要有以下几个方向：
6.1 方向一——自旋半金属材料的研究
自旋电子的自旋输运效应对于研究自旋电子的实际应用有着密切的联系，因此为了获得更为显著的自旋输运新效应，人们设法寻找自旋极化率更高的新材料，开始了自旋半金属材料的研究。
6.2 方向二——磁性半导体、超导体的研究
为了使自旋输运材料和半导体材料、超导材料结合起来，组成全新的电子器件，人们开始研究磁性半导体材料，并且研究如何将自旋极化的电子注入到半导体和超导体中．最近人们又提出将束缚在量子点中的电子的自旋状态作为量子位，实现量子计算[18J的概念，使计算速度大大提高。
6.3 方向——提高自旋电子注入效率
影响注入效率的因素很多，包括界面质量、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，提高居里温度等方面是目前半导体电子学研究的重点和难点。
综上所述，半导体自旋电子学是自旋电子学的热点领域之一，虽然发展很快，但是对半导体自旋电子学的研究在理论与应用方面还处于刚刚发展阶段，特别是对于自旋极化的控与输运的认识还处在一个非常肤浅的阶段，而且对出现的各种新效应的理解基本上还是一种“拼凑式”的半经典唯象理论，自旋极化电子的注入与输运控制被认为是自旋电子学发展的瓶颈。但是，我们已经看到巨磁阻效应的应用给人类社会带来了巨大的财富，那么我们有理由相信，在大家们的共同努力下，一定能突破自旋电子学发展中的这个“瓶颈”，在不久的将来我们一定会看到自旋电子学在信息技术领域给人类带来更大的惊喜。
七．参考文献
[1]https://www.360docs.net/doc/7a8331381.html,/link?url=AHoBcCN4nDTxUT24l7BJINpwPTb5A2Iz7k5jH KWFudTyh pAq39Ea2U7s0qU0wNqiBgHEgEmeh8yrEKmvnUiRSa
[2]https://www.360docs.net/doc/7a8331381.html,/view/5910338.htm
[3]Thomson W．Proc．Roy．Soc．1857；8：546
[4]Grnnbeg P．，et02．Phys．Rev．Lett．1986；57：2442
[5]BaibichM ．N．，etal．Phys．Rev．Lett．1988；61：2472
[6]WoⅡS．A．．Treger D．M．IEEE Trans．Magn．，2000；36：2748
[7]詹文山.ZHAN Wen-Shan 自旋电子学研究与进展-物理2006,35(10)
[8]赖武彦.LAI Wu-yan 巨磁电阻引发硬盘的高速发展——2007年诺贝尔物理学奖简介-自然杂志2007,29(6)
[9]Hanbicki A T, Kioseoglou G, Holub M A, et al。Electrical spin injection from Fe into ZeSe (001) [J]。Appl Phys Lett,2009,94(8):082507-1-082507-3 。
[10]Jonker B T, Kioseoglou G,Hanbicki A T, et al。Electrical spin-injection into Silicon from a ferromagnetic metal/tunnel barrier contact [J]。Nature Physics,2007,3(8):542-546。
[11]刘丰微电子的专利保护-中国发明与专利2008年第6期
[12]闫世申，李强，沈婷婷，代正坤等具有自旋电动势及巨磁电阻效应的磁性隧道结自旋电池及其制备方法-中国专利数据库（知网版）2013年2月13日[13]游彪，盛雯婷，孙亮等．自旋电子学的发展及应用[J]．科技进展，2003，25(4)：220~223．
[14] 吴云，张玉明等自旋极化电流从铁磁金属注入半导体的研究-第十四届全国半导体集成电路、硅材料学术会议2005年11月
[15]张家鑫，许丽萍，王忠斌等半导体自旋电子学的最新研究进展-中国高新技术产业会议2010年4月5日
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）。