【大學(xué)課件】自旋電子學(xué)

1、Ch 4 自旋電子學(xué) 本講2學(xué)時內(nèi)容重點： 1根本問題： 自旋的注入、輸運和檢測 2鐵磁/半導(dǎo)體結(jié)注入方式的困難 3自旋Hall效應(yīng)(新) (物理所,理論研究者) Spintronics的含義？ 電子：電荷和自旋電子自旋為1/2 自旋極化：自旋向上與向下電子數(shù)不等。 調(diào)控自旋極化的電流：注入、放大、 、檢測。 回憶：半導(dǎo)體MOS中 電流的“源、“漏和控制 “門電極 以下圖：設(shè)想的一種自旋晶體管 1 1根本問題根本問題 1,自旋注入 “使傳導(dǎo)電子自旋極化 即產(chǎn)生非平衡的自旋電子占有數(shù) n n 方法之一，光學(xué)技術(shù)。光取向或光抽運。 方法之二，電學(xué)自旋注入。便于器件的應(yīng)用 根本問題根本問題 2,自旋

2、傳輸自旋傳輸 自旋電流從自旋電流從FM電極注入半導(dǎo)體，電極注入半導(dǎo)體， 會在界面和半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生會在界面和半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生“累積累積 自旋弛豫機(jī)制自旋弛豫機(jī)制 會使得自旋的非平衡轉(zhuǎn)向平衡。會使得自旋的非平衡轉(zhuǎn)向平衡。 這個特征時間大約是幾十納秒，足夠長！這個特征時間大約是幾十納秒，足夠長！ 3,自旋檢測自旋檢測 自旋狀態(tài)的改變。自旋狀態(tài)的改變。 三種自旋注入實驗三種自旋注入實驗 工作方式工作方式實驗器件實驗器件優(yōu)點優(yōu)點困難困難 1 電注電檢FM/Semic 結(jié)電方案效率低 2 電注光檢磁性半導(dǎo)體多層 電方案低溫 3 光生光檢GaAs/ZnSe實驗室易實現(xiàn)不易應(yīng)用 1，電注入，電注入電檢測電檢測 鐵磁

3、/半導(dǎo)體結(jié) 早期：效率太低， P. R. Hammar et al，PRL 83， 2031999 S. Gardelis, et al, PRB 60,7764 (1999) 今年最新結(jié)果 自旋注入的一條新路？自旋注入的一條新路？ 龐磁電阻碳納米管 CMRCNT Nature 445Jan 2007 410413 LSMO 33 . 07 . 0 MnOSrLa 自旋注入的一條新路？ 高效率！低溫？ KTRRRMR ppAP 5%,61/ ？ 2，電注入，電注入光檢測之一光檢測之一 實驗：磁性半導(dǎo)體電注入實驗：磁性半導(dǎo)體電注入 和和 偏振光檢測偏振光檢測 產(chǎn)生：產(chǎn)生： P P型型(Ga,Mn

4、)As (Ga,Mn)As 的自旋極化空穴的自旋極化空穴 和和N N型型GaAsGaAs的非極化電子的非極化電子 進(jìn)入進(jìn)入InGaAsInGaAs量子阱復(fù)合，量子阱復(fù)合， 產(chǎn)生極化的場致發(fā)光。產(chǎn)生極化的場致發(fā)光。 T=6K; H=1,000 OeT=6K; H=1,000 Oe 檢測：偏振光檢測檢測：偏振光檢測 2，電注入，電注入光檢測光檢測 之二之二 場致發(fā)光強(qiáng)度 左 極化度 右 3，光產(chǎn)生，光產(chǎn)生光檢測之一光檢測之一 強(qiáng)激光強(qiáng)激光Pump在半導(dǎo)體中，在半導(dǎo)體中， 產(chǎn)生了產(chǎn)生了 Spin-polarized state, 此時的半導(dǎo)體等效于磁體此時的半導(dǎo)體等效于磁體. 可以用可以用Farad

5、y-Kerr 效應(yīng)做光檢測效應(yīng)做光檢測 Probe. 3，光產(chǎn)生，光產(chǎn)生光檢測光檢測 之二之二 2 2鐵磁鐵磁/ /半導(dǎo)體結(jié)注入方式的困難半導(dǎo)體結(jié)注入方式的困難 電注入的問題在那里？電注入的問題在那里？ “從鐵磁金屬直接發(fā)射電子到半導(dǎo)體中從鐵磁金屬直接發(fā)射電子到半導(dǎo)體中。 “這種自旋注入方式，面臨一個根本障礙。這種自旋注入方式，面臨一個根本障礙。 那就是這兩種材料之間的電導(dǎo)失配。那就是這兩種材料之間的電導(dǎo)失配。 )(, 2 F En m e EJ Schmidt的計算模型的計算模型 1 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)： FM金屬金屬1 / 半導(dǎo)體半導(dǎo)體2 / FM 金屬金屬3 第一界面，第一界面， 為為 X 0，

6、 第二界面，第二界面， 為為 X X0 兩流體模型！兩流體模型！ Schmidt的計算模型的計算模型2 簡化：簡化： 1維問題維問題 垂直界面方向垂直界面方向 任務(wù)：任務(wù)： 首先，計算各個區(qū)域的首先，計算各個區(qū)域的“化學(xué)勢化學(xué)勢 和和“自旋極化電流自旋極化電流 其次，計算半導(dǎo)體區(qū)域電流的其次，計算半導(dǎo)體區(qū)域電流的 “自旋注入的效率自旋注入的效率 問題：電流、化學(xué)勢、邊條件、電導(dǎo)率失配？問題：電流、化學(xué)勢、邊條件、電導(dǎo)率失配？ SchmidtSchmidt的計算模型的計算模型3 3 自旋極化率定義 其中， 分別為 FM，SC，F(xiàn)M 對于注入?yún)^(qū)鐵磁金屬的自旋極化電流， 計算，接收區(qū)半導(dǎo)體自旋極化的

7、電流 注意：電流密度 是材料、自旋和坐標(biāo)的函數(shù)。 )()( )()( )( xJxJ xJxJ x ii ii i 3 , 2 , 1i )(xJ i Schmidt的計算模型的計算模型4 需要，計算需要，計算“自旋相關(guān)的電流密度自旋相關(guān)的電流密度 。 自旋極化電流服從自旋極化電流服從OhmOhm定律定律 其中，其中，是兩種自旋的電導(dǎo)率，是兩種自旋的電導(dǎo)率， * *注意，電流密度與化學(xué)勢的斜率成比例！注意，電流密度與化學(xué)勢的斜率成比例！ )(xJ , , eJ x Schmidt的計算模型的計算模型5 為此，先要計算為此，先要計算“自旋相關(guān)的化學(xué)勢自旋相關(guān)的化學(xué)勢 。 化學(xué)勢服從擴(kuò)散方程化學(xué)勢

8、服從擴(kuò)散方程 2 2 )( x D fs , Schmidt的計算模型的計算模型6 求解擴(kuò)散方程求解擴(kuò)散方程 對于鐵磁材料區(qū)，化學(xué)勢的形式解是：對于鐵磁材料區(qū)，化學(xué)勢的形式解是： 這里，這里，i i1 1，3 3。X1X1 0 0； X3 X3 X0 X0。 分別對應(yīng)分別對應(yīng) 1 1，3 3 。 )/ )(exp , 0* , 0 , fmi i i i i i xxC Schmidt的計算模型的計算模型7 求解擴(kuò)散方程續(xù)求解擴(kuò)散方程續(xù) 對于半導(dǎo)體材料區(qū)，化學(xué)勢的形式解是：對于半導(dǎo)體材料區(qū)，化學(xué)勢的形式解是： 形式解的意義：形式解的意義： 電流密度與位置電流密度與位置X X 坐標(biāo)無關(guān)。坐標(biāo)無關(guān)

9、。 代入擴(kuò)散方程，利用邊界條件求解代入擴(kuò)散方程，利用邊界條件求解 xx ,1,2 )0()(const , Schmidt的計算模型的計算模型8 代入擴(kuò)散方程和Ohm定律， 利用邊界條件求解利用邊界條件求解： 電流連續(xù)電流連續(xù)： 電荷守恒電荷守恒： 化學(xué)勢相等 化學(xué)勢相等 0 x, 2 1 JJ 21 JJ 0 xx , 3 2 JJ , 3 2 JJ 0 x 0 xx Schmidt的計算模型的計算模型9 得到了 和 的方程，如 下 半導(dǎo)體區(qū)域的半導(dǎo)體區(qū)域的 電流自旋極化度電流自旋極化度 Cg )()(41 ( Cg )(41 ()( )( )( 2 Schmidt的計算模型的計算模型10

10、計算結(jié)果計算結(jié)果 半導(dǎo)體區(qū)的電流密度半導(dǎo)體區(qū)的電流密度“自旋極化率自旋極化率 2 0 0 2 ) 12( 2 fm scfm sc fm fm x x Schmidt的計算模型的計算模型11 數(shù)值結(jié)果分析材料因子分子小分母大數(shù)值結(jié)果分析材料因子分子小分母大 FM自旋極化 FM自旋擴(kuò)散長度半導(dǎo)體厚度二者之比二者之比 60 10納米1000納米102 80100納米10納米？10 0 x sc fm fm SC電導(dǎo) FM電導(dǎo) 二者之比二者之比 材料因子自旋極化率自旋極化率 11031031052105 11031031021102 0 x 2 fm sc fm 理解理解Schmidt “障礙障礙

11、鐵磁金屬的電導(dǎo)是鐵磁金屬的電導(dǎo)是 半導(dǎo)體電導(dǎo)的半導(dǎo)體電導(dǎo)的10001000倍！倍！ 鐵磁金屬中載流子濃度 約 半導(dǎo)體中少數(shù)載流子濃度僅僅 盡管，鐵磁金屬中遷移率遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體 再一次表現(xiàn)出矛盾： 鐵磁有序需要高濃度電子 電子輸運需要低濃度電子 322 /10cm 316 /10cm m e EenEn m e EJ FF ,)()(, 2 )( F En 1614 10 54 10 鐵磁金屬半導(dǎo)體金屬比半導(dǎo)體 1載流子濃度高高6 67 7個量級個量級 2遷移率10（？）低低2 23 3個量級個量級 3電導(dǎo) 10高高3 34 4個量級個量級 4平均自由程20nm2002000納 米 低1 個量級

12、5自旋擴(kuò)散長度Ls100納米1微米低1個量級 2221 10 5 10 1 cmohm 3 3自旋自旋HallHall效應(yīng)效應(yīng) Science 301Science 301，1348134820032003； PhysRevLett92,126603(2004)PhysRevLett92,126603(2004) 理論分析指出： 很多半導(dǎo)體的載流子都具有自旋軌道耦合作用。 如果 在該半導(dǎo)體上施加縱向電場，將會產(chǎn)生橫向自旋流。 即自旋向上和向下的電子分別沿橫向朝相反的方向流動。 這就會在橫向積累不同取向的自旋， 稱為自旋霍爾效應(yīng)。 自旋注入的可能途徑 自旋Hall效應(yīng)誘導(dǎo)出的自旋流可以用作自旋注

13、入。 因為自旋流是從半導(dǎo)體中產(chǎn)生的， 所以不存在電導(dǎo)率不匹配的問題。 用這種方法得到的自旋輸運可能是一種無耗散的過程。 需要經(jīng)實驗證實。 自旋軌道耦合和電場的作用 以高遷移率二維電子系統(tǒng)2DES為例 Rashba1984的Hamiltonian為 其中， 是Rashba耦合常數(shù)， 是Pauli矩陣， 是電子有效質(zhì)量， 是垂直于2DES平面的單位矢量， 是動量。 m zp 有效磁場 另一種寫法是 其中， 相當(dāng)于一個作用在自旋上的有效磁場。 比較普通Hall效應(yīng)：電荷在磁場中受力 /)(Spz )(/2pz )(BveF 物理圖像 自旋紅色垂直 于 動量綠 色， 在能量上有利?？?圖a 自旋取向彼此相反。 )()( pzpz 在x方向加電場看圖b 電子在x 反方向加速， 在動量空間產(chǎn)生漂移 動量漂移導(dǎo)致Rashba Hamiltonian的變化 這等價于在自旋上施加一個變化的有效力場。 eExp H 自旋的運動的Bloch方程 比較鐵磁共振現(xiàn)象 其中， 是自旋的方向， 是進(jìn)動時受到的阻尼力。 注意：矢量和力矩的作用。 n 自旋流 可以證明，動量空間漂移的結(jié)果是， 在自旋