自旋电子学课件.ppt

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1、Ch4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（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

2、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。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（1）电注入―电检测（之一）FM/Semic界面早期：效率太低，<1％P.R.Hammaretal，PRL83，203（1999）S.Gardelis,etal,PRB60,7764(1999)（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)etalAPL80，1

3、240（2002）（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(Nature402(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=1,000Oe）检测：偏振光检测（2）电注入―光检测（之二）场致发光强度（左）极化度（右）（3）光产生―光检测（之一）WolfSAAwschalometal，Science，2001，294，1488强激光Pump在半导体中，产生了Spin-polarizedstate,此时的半导体等效于”

4、磁体”.可以用Farady-Kerr效应做光检测Probe.（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（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？Schmi

5、dt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（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，σ↑↓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（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（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

6、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（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（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（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（11）数值结果分析（材料因子分子小分母大）FM自旋极化βFM自旋扩散长度半导体厚度二者之比60％10纳米1000纳米10－280％100纳米10纳米？？10S

7、C电导FM电导二者之比材料因子自旋极化率110＋310－310－52×10－5110＋310－310－21×10－2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<10高3－4个量级4平均自由程λ20nm200－2000纳米低1个量级