基于電子自旋的自旋電子

基于電子自旋的自旋電子

在傳統(tǒng)的微電子學(xué)中，我們通常使用電子的負(fù)荷來控制電子的傳輸過程，而不考慮電子的自相容性。為了進(jìn)一步提高信息速度和存儲密度，我們需要使用電子的李自成，并發(fā)展出一個新學(xué)科：自旋電子（spinter或systemic）。這是結(jié)合磁學(xué)和微電子學(xué)的交叉科學(xué)。發(fā)現(xiàn)該病的磁阻是自然生態(tài)學(xué)發(fā)展的里程碑。1988年，法國科學(xué)家fert在[fe]的周期層膜中觀察到。當(dāng)向外磁層提供外磁層時，它們的電阻值變化率為50%。因此，它被稱為較大的磁阻效應(yīng)（mr）。然而，對于具有高外展動器的多層膜，為了能夠觀察到抗磁性效應(yīng)（或僅?。?，我們需要一個非常高的外磁層，以便可以觀察到基于運動的混凝土效應(yīng)（例如，由于需要更多的外部磁體），因此不適用于器官應(yīng)用。之后，人們設(shè)計了一種三味線結(jié)構(gòu)。相鄰鐵磁層的磁矩沒有得到交換和組合，并且在較低的外部磁體下，相鄰鐵磁層的磁矩可以改變平行排列和反平行排列之間的橫向排列，從而改變磁阻的變化。這是所謂的自相器結(jié)構(gòu)。自行器結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)為快速應(yīng)用節(jié)省了磁阻效應(yīng)。1995年，采用絕緣層al2o3代替導(dǎo)線cr，在fe、al2o3和fe的三個結(jié)構(gòu)中觀察到了巨大的隧道磁阻現(xiàn)象（tn），打開了自旋電子研究的另一個新方向。隨著納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,科學(xué)家發(fā)現(xiàn),當(dāng)半導(dǎo)體組件減小到納米尺寸后,許多宏觀特性將喪失,此時必須考慮電子的自旋特性,由此又發(fā)展出自旋電子學(xué)的另一個分支——半導(dǎo)體自旋電子學(xué).磁性半導(dǎo)體、磁性/半導(dǎo)體復(fù)合材料、非磁性半導(dǎo)體量子阱和納米結(jié)構(gòu)中的自旋現(xiàn)象,以及半導(dǎo)體的自旋注入的研究皆屬于半導(dǎo)體自旋電子學(xué)的研究范圍,它們極大地豐富了自旋電子學(xué)的內(nèi)容.可以說,自旋電子學(xué)目前正處于發(fā)展時期,很多新的現(xiàn)象和應(yīng)用將隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們認(rèn)識水平的提高而不斷被揭示和發(fā)現(xiàn).下面我們就自旋電子學(xué)的基本內(nèi)容和研究進(jìn)展作一簡單的介紹.1平均磁電磁層厚度1988年GMR效應(yīng)在Fe/Cr金屬多層膜中的發(fā)現(xiàn)引起了各國科學(xué)家的注意,人們從理論和實驗上對多層膜GMR效應(yīng)展開了廣泛而深入的研究.為了使GMR材料的飽和磁場(Hs)降低,人們除了采用降低耦合強度及選用優(yōu)質(zhì)軟磁作為鐵磁層等途徑外,還提出了非耦合型夾層結(jié)構(gòu).1991年,B.Dieny利用反鐵磁層交換耦合,提出了自旋閥結(jié)構(gòu),并首先在(NiFe/Cu/NiFe/FeMn)自旋閥中發(fā)現(xiàn)了一種低飽和場巨磁電阻效應(yīng).圖1是自旋閥的結(jié)構(gòu)示意圖及其在外磁場作用下的磁滯回線和磁電阻變化曲線圖.自旋閥的基本結(jié)構(gòu)為F1/N/F2/AF.兩個鐵磁層F1和F2被較厚的非鐵磁層N隔開,因而使F1與F2間幾乎沒有交換耦合.F1稱為自由層,F2稱為被釘扎層,其磁矩Ms被相鄰反鐵磁層AF的交換耦合引起的單向各向異性偏場所釘扎.當(dāng)F1為優(yōu)質(zhì)軟磁材料時,其Ms可以在很弱的磁場作用下相對于F2改變方向,從而獲得較大的GMR.這種非耦合型自旋閥具有如下優(yōu)點:1)磁電阻變化率ΔR/R對外磁場的響應(yīng)呈線性關(guān)系,頻率特性好;2)飽和場低,靈敏度高.雖然自旋閥結(jié)構(gòu)的磁電阻變化率不高,通常只有百分之幾,但較低的飽和場可以使磁場靈敏度高達(dá)1%Oe-1以上;.3)自旋閥結(jié)構(gòu)中鐵磁層的磁矩的一致轉(zhuǎn)動,能夠有效地克服巴克毫森效應(yīng),從而使信噪比大大提高.自旋閥磁電阻隨鐵磁層厚度的增加,在4～10nm之間有最大值出現(xiàn),對于一般的磁性金屬超晶格,GMR最大值所對應(yīng)的典型厚度為1～3nm.通常認(rèn)為這是體散射作用的結(jié)果.由于兩鐵磁層間幾乎沒有交換耦合,故自旋閥電阻隨著非磁層厚度的增大只是指數(shù)性減小.出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可以定性地歸結(jié)為兩方面:一是穿過空間層的傳導(dǎo)電子所遭受的散射增強,從一個F層穿過空間層到達(dá)另一F層的電子數(shù)減少,從而導(dǎo)致自旋閥效應(yīng)降低;二是空間層的分流作用隨非磁層厚度的增大而增強.Dieny等人還觀察到自旋閥磁電阻與兩鐵磁層磁矩夾角的余弦呈線性關(guān)系.對于自旋閥磁電阻的這些典型特征,還可以利用半經(jīng)典理論給出較好的定量解釋.與超晶格GMR一樣,自旋閥磁電阻的來源仍然歸結(jié)于磁性層/非磁性層界面處的自旋相關(guān)電子散射.自旋閥中出現(xiàn)GMR效應(yīng)必須滿足這樣的條件:①傳導(dǎo)電子在鐵磁層中或在鐵磁/非鐵磁界面上的散射概率必須是自旋相關(guān)的;②傳導(dǎo)電子可以來回穿過兩鐵磁層,并能記住自己的自旋取向,即自旋平均自由程大于隔離層厚度.但是由于實際自旋閥中磁性或非磁性層的厚度較大,使得自旋閥中各層內(nèi)部的結(jié)構(gòu)缺陷、結(jié)晶性等對于自旋閥的磁電阻大小、交換偏移場都會有明顯影響.GMR自旋閥從基礎(chǔ)研究到器件應(yīng)用只花了短短幾年的時間.在過去的10年內(nèi),已開發(fā)出一系列高靈敏度的GMR磁電子器件,其應(yīng)用已發(fā)展到計算機磁頭、磁隨機存貯器、巨磁電阻傳感器等許多領(lǐng)域.利用GMR自旋閥材料研制的新一代硬盤讀出磁頭,已經(jīng)把存儲密度提高了好幾個數(shù)量級(1988年僅為50Mb/in2,2003年就已經(jīng)達(dá)到100Gb/in2),磁記錄存儲密度已超過了所有的存儲方式.目前GMR磁頭已占據(jù)了磁頭市場90%～95%的份額.利用GMR效應(yīng)開發(fā)的磁性隨機存貯器(MRAM),由于0和1狀態(tài)的設(shè)置原理來源于磁性材料特有的磁滯效應(yīng),因此在突然斷電時也不會丟失信息.由于GMR效應(yīng)可以進(jìn)一步減小每位體積而不影響讀出靈敏度,因而可以進(jìn)一步提高存貯密度和實現(xiàn)快速存取.2002年,摩托羅拉公司宣布已研制出1Mb的集成磁性隨機存貯器.由于GMR磁性隨機存貯器具有抗輻射、抗干擾、功耗低、使用壽命長、成本低等優(yōu)點,因而可應(yīng)用于計算機芯片、蜂窩電話、傳真機、錄像機、數(shù)碼相機、大容量存貯器、軍事、航空和航天技術(shù)等方面有著廣泛的應(yīng)用前景.利用GMR自旋閥結(jié)構(gòu)做成各種高敏感度的磁傳感器,可以對微弱磁場信號進(jìn)行傳感.由于這種磁傳感器體積小,可靠性高,響應(yīng)范圍寬,因而可應(yīng)用于開關(guān)電源、醫(yī)用及生物磁場傳感器、家用電器、商標(biāo)識別、衛(wèi)星定位、導(dǎo)航及高速公路的車輛監(jiān)控系統(tǒng)等方面,另外,在精密測量技術(shù)等方面的應(yīng)用前景也十分廣闊.2ra和rp的工作特性磁隧道結(jié)通常是指由兩層磁性金屬(FM)和它們所夾的一層氧化物絕緣層(I)所組成的三明治結(jié)構(gòu)(FM/I/FM),圖2為磁隧道結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖.通過絕緣層勢壘的隧穿電子是自旋極化的,可以產(chǎn)生較大的磁電阻效應(yīng)(TMR).FM/I/FM隧道結(jié)最初是由Slonczewski于1975年提出來的.Julliere認(rèn)為,在隧道結(jié)中,如果兩鐵磁電極的磁化方向平行,則一個電極中費米能級處的多數(shù)自旋態(tài)電子將進(jìn)入另一個電極中的多數(shù)自旋態(tài)的空態(tài),同時少數(shù)自旋態(tài)電子也從一個電極進(jìn)入另一個電極的少數(shù)自旋態(tài)的空態(tài),即磁化平行時,兩個鐵磁電極材料的能帶中多數(shù)電子自旋相同,費米面附近可填充態(tài)之間具有最大匹配程度,因而具有最大隧道電流.如果兩電極的磁化反平行,則一個電極中費米能級處的多數(shù)自旋態(tài)的自旋角動量方向與另一個電極費米能級處的少數(shù)自旋態(tài)的自旋角動量平行,隧道電導(dǎo)過程中一個電極中費米能級處占據(jù)多數(shù)自旋態(tài)的電子必須在另一個電極中尋找少數(shù)自旋態(tài)的空態(tài),因而其隧道電流變?yōu)樽钚?通常,TMR可以表示為TMR=ΔRRA=RA?RPRA=2P1P21+P1P2(1)ΤΜR=ΔRRA=RA-RΡRA=2Ρ1Ρ21+Ρ1Ρ2(1)式中RA和RP表示磁化反平行和平行時的磁電阻,P1和P2為兩個鐵磁電極的自旋極化率.可以看出,只有P1和P2均不為零才能在磁隧道結(jié)中觀察到磁電阻效應(yīng);兩個磁電極的自旋極化率越大,TMR值就越高.Fe、Co、Ni的自旋極化度分別為40%,34%和11%,由Julliere模型可得Fe/I/Co的TMR應(yīng)為24%,但一直到1994年實驗上觀察到的TMR的結(jié)果都不理想(低溫下的TMR均小于7%,室溫下更低).對這些TMR實驗結(jié)果的解釋直到1989年才由Slonczewski較好地完成,他將隧穿過程看成是類自由電子鐵磁體產(chǎn)生的電荷流和自旋流在方形勢壘中的透射過程,計算發(fā)現(xiàn),在鐵磁體和絕緣體的界面處因絕緣體勢壘的有限高度而強烈影響隧穿電子的自旋方向.這表明,要得到大的TMR值,除了構(gòu)成磁隧道結(jié)的兩個鐵磁電極中的磁化可以在外磁場作用下任意改變方向以及磁電極的自旋極化率盡可能大外,還要求中間氧化層勢壘必須足夠高.1995年,Miyazaki和他的同事們發(fā)現(xiàn)Fe/Al2O3/Fe磁隧道結(jié)在室溫下TMR高達(dá)18%,低溫下TMR為23%.同年,Moodera等人制備出了CoFe/Al2O3/Co平面型隧道結(jié),在室溫和低溫時觀察到TMR分別為11.8%和24%.低溫實驗數(shù)據(jù)與Julliere的理論模型符合得非常好.目前在理解隧穿自旋極化方面還存在一定的分歧,爭論的焦點是金屬-氧化物界面對自旋極化的影響.對于Co、Ni等鐵磁金屬,由于多數(shù)自旋電子所處的d帶位于費米能級之下,理論預(yù)期其自旋極化應(yīng)該是負(fù)的.然而F/ALO/Al隧道結(jié)的實驗研究發(fā)現(xiàn),在所有鐵磁金屬和合金中均存在正的極化現(xiàn)象,與能帶理論的預(yù)期結(jié)果截然相反.F1/I/F2隧道結(jié)的研究結(jié)果表明,電子隧穿通過Co或NiFe(鎳鐵合金)的自旋極化也可以是負(fù)的.目前還沒有一個較好的理論能夠解釋為什么Co在含有d電子元素的氧化物(STO,CLO,TaO2)中出現(xiàn)負(fù)極化,而在只有s、p電子的氧化物(ALO)中出現(xiàn)正極化的現(xiàn)象.除了前面提到的TMR與磁電極的自旋極化率的關(guān)系外,磁隧道結(jié)還具有如下基本特征:1)磁隧道結(jié)的電導(dǎo)(G)與兩磁電極磁矩夾角(θ)的變化滿足如下關(guān)系:G=GAbB(1+PAbPBbcosθ)(2)這里GAbB為平均表面電導(dǎo),PAb和PBb表示兩個鐵磁電極-氧化層勢壘結(jié)構(gòu)的有效自旋極化率.2)在低結(jié)電壓下,隧道電流隨電壓的變化是一線性關(guān)系;在高結(jié)電壓下,隧道電流隨電壓的變化比線性變化快.3)TMR隨結(jié)電壓的升高而降低;低溫下的TMR顯著增大.恒定電壓下的隧道電流隨溫度的變化可用Stratton理論來描述:I(T?V)=I(0?V)[1+16(πckT)2](3)Ι(Τ?V)=Ι(0?V)[1+16(πckΤ)2](3)這里I(T)和I(0)分別表示溫度為T和0時的隧道電流,k為玻爾茲曼常量,c是一個與勢壘厚度和高度有關(guān)的常數(shù).4)磁隧道結(jié)的兩磁電極之間的耦合場很小,比具有相同鐵磁層厚度的F/N/F三明治結(jié)構(gòu)的耦合場要低一個數(shù)量級.磁隧道結(jié)的TMR在室溫下一般為15%～40%,與GMR自旋閥結(jié)構(gòu)相比較,它還具有低功率損耗、低飽和場(相對高的場靈敏度)等特點,因此在磁記錄隨機存儲器和讀頭上有很大的應(yīng)用前景.盡管這樣,磁隧道結(jié)要進(jìn)入實際應(yīng)用還需要克服許多困難,例如,如何制作小面積和高TMR的磁隧道結(jié),如何進(jìn)一步提高磁隧道結(jié)的信噪比,如何改善其熱穩(wěn)定性,如何提高TMR對結(jié)電壓的耐受性等.這些都有待于作更深入的研究.3非磁性半導(dǎo)體材料隨著科學(xué)的發(fā)展,半導(dǎo)體中各種自旋極化,如載流子自旋、磁性原子摻雜引入的自旋、半導(dǎo)體組成元素中原子的核自旋等已引起了科學(xué)家們廣泛的重視.已有結(jié)果表明,一些新的功能能夠通過自旋注入、自旋輸運和控制自旋態(tài)來實現(xiàn).這些涉及到半導(dǎo)體材料的自旋研究工作自然就導(dǎo)致了半導(dǎo)體自旋電子學(xué)的出現(xiàn).半導(dǎo)體自旋電子學(xué)主要包括兩個領(lǐng)域:一是半導(dǎo)體磁電子學(xué),它是將磁性功能結(jié)合進(jìn)半導(dǎo)體中,如磁性半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與磁性材料的復(fù)合體.這一領(lǐng)域?qū)⒅苯訉?dǎo)致半導(dǎo)體器件如光絕緣體、磁傳感器、非揮發(fā)性存儲的實現(xiàn).如果磁性或自旋能被光或電場所控制,就可能創(chuàng)造出前所未有的全新器件.另一個領(lǐng)域就是半導(dǎo)體量子自旋電子學(xué),它主要是指自旋的量子力學(xué)特性在半導(dǎo)體中的應(yīng)用.例如,非磁性半導(dǎo)體中的自旋比電子的極化有更長的相干時間,通過光或電場來操縱自旋就更容易了.磁性半導(dǎo)體材料主要研究的是稀釋磁性半導(dǎo)體(DMS),所謂稀釋磁性半導(dǎo)體是指非磁性半導(dǎo)體中一部分原子被磁性原子所替代.20世紀(jì)80年代,DMS的研究主要集中在(Cd,Mn)Te和(Zn,Mn)Se等Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體上.在Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體中,Ⅱ族原子可以被等價的磁性過渡金屬原子所替代而使半導(dǎo)體中富含大量磁性原子,并可進(jìn)一步制備出量子結(jié)構(gòu).然而,通過摻雜很難控制Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體的電導(dǎo),這是Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體作為電子材料應(yīng)用的主要障礙.隨后人們開始關(guān)注Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體的磁性研究,但是磁性雜質(zhì)在Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體中的溶解度很低,在普通的晶體生長條件下不可能摻進(jìn)大量的磁性原子.1989年,Munekata利用低溫分子束外延實現(xiàn)了非平衡晶體生長,成功地在GaAs襯底上外延生長了(In,Mn)As合金,并在P型(In,Mn)As中觀察到了鐵磁性.1996年,GaAs基的DMS生長成功并在P型(Ga,Mn)As中觀察到了鐵磁轉(zhuǎn)變,其最高鐵磁轉(zhuǎn)變溫度(Tc)目前為110K.由于(Ga,Mn)As能夠外延生長在GaAs襯底上,與GaAs/(Al,Ga)As量子結(jié)構(gòu)完全兼容,因此,(Ga,Mn)As己成為半導(dǎo)體自旋電子學(xué)研究的重要材料.要使Tc升高到室溫以上,根據(jù)平均場理論,首先應(yīng)當(dāng)增加磁原子密度(x)和空穴密度(p),同時應(yīng)滿足x>p.例如在(Ga,Mn)As中,若p=3.5×1020cm-3,要使Tc高于室溫,則x需增大到0.15.假定磁原子密度能夠達(dá)到這樣的數(shù)值而空穴密度又類似于(Ga,Mn)As,那么高Tc就只能期望在寬帶半導(dǎo)體如GaN或ZnO中存在,因為輕元素和小的晶格常量只能導(dǎo)致較小的自旋-軌道相互作用.最近有Tc高于室溫材料的報道,如(Cd1-xMnx)GeP2的Tc=320K,(Zn,Co)O的Tc為280～290K,CrAs和CrSb的Tc>400K,摻Mn的GaNDMS的Tc高達(dá)940K.在過去10年中,對非磁性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中自旋性質(zhì)的理解和操縱也取得了很大進(jìn)展.工作主要涉及到量子結(jié)構(gòu)中的自旋弛豫、半導(dǎo)體自旋注入、量子點的自旋相關(guān)輸運、自旋相干、載流子自旋和核自旋相互作用.多數(shù)載流子的自旋弛豫包括自旋-軌道相互作用(D’yakonov-Perel效應(yīng))和帶混合(Elliott-Yafet效應(yīng))以及電子-空穴交換相互作用(Bir-Aronov-Pikus效應(yīng)).一般來說,自旋弛豫不僅取決于材料的性質(zhì),如自旋-軌道耦合、本征帶隙,還依賴于有關(guān)參數(shù),如維度、溫度、動能、散射時間和摻雜等.在量子結(jié)構(gòu)中,光和重空穴的簡并度升高了電子-重空穴激子的共振激發(fā),能夠?qū)崿F(xiàn)載流子100%的自旋極化.半導(dǎo)體自旋注入是自旋電子學(xué)發(fā)展中的一個關(guān)鍵所在.由于磁性半導(dǎo)體一般是外延生長在半導(dǎo)體襯底上的,其電導(dǎo)率與非磁性半導(dǎo)體相當(dāng),用作自旋極化器和自旋分析器上可望得到高效率的自旋注入和較大的磁電阻.自旋注入在使用了磁性半導(dǎo)體的p-n結(jié)中已得到證實,目前最大的挑戰(zhàn)是如何將一束高度自旋極化流從鐵磁金屬有效地注入到半導(dǎo)體中.量子點中電子的輸運表現(xiàn)為庫侖阻塞效應(yīng),因此通過閥電壓可以控制電子(奇或偶)的占據(jù)態(tài),有望實現(xiàn)一些有用的功能,如自旋過濾、自旋存儲等.此外,在很多半導(dǎo)體量子阱結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn),電子自旋相干周期至少可以達(dá)到幾ns,這進(jìn)一步增加了非磁性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在自旋存儲和核自旋操縱上應(yīng)用的可能性.前面介紹了如何通過材料本身來控制和操縱自旋,而在實際應(yīng)用中,往往需要用光或電場來操縱自旋.例如,波長為0.98μm的光可用作Er摻雜光纖放大器的激發(fā)光源,但是這個波段能被鐵吸收.基于Ⅱ-Ⅵ族DMS的半導(dǎo)體光學(xué)絕緣體具有低吸收和大的法拉第旋轉(zhuǎn)的特點.利用了(Cd,Mn,Hg)(Te,Se)的半導(dǎo)體光學(xué)絕緣體在波長為0.98μm處其Verdet’s常數(shù)已達(dá)到0.05°·Oe-1·cm-1,這是第一個商業(yè)上可用的半導(dǎo)體自旋器件.當(dāng)終端用戶的網(wǎng)絡(luò)帶寬達(dá)到Gb/s時,有必要將激光和絕緣體集成到同一半導(dǎo)體中制造高性能、低損耗的器件.研究表明,基于Ⅲ-Ⅴ族的化合物,如(Ga,Mn)As,(In,Mn)As,以及它們的混晶結(jié)構(gòu)磁性半導(dǎo)體能夠與GaAs和InP基半導(dǎo)體激光器集成在一起,得到較大的Verdet’s常數(shù)(與Ⅱ-Ⅵ族DMS的量級相當(dāng)).當(dāng)一個半導(dǎo)體量子阱在外部光作用下產(chǎn)生極化時,利用右和左圓周極化光的吸收變化,可以制成響應(yīng)速度很快的光控開關(guān).通過光學(xué)上提取左右圓周極化光的區(qū)別,將能實現(xiàn)超快光開關(guān).在磁性半導(dǎo)體(In,Mn)As/非磁性GaSb異質(zhì)結(jié)中,Koshihara等證實了在低溫下光生載流子能夠誘導(dǎo)產(chǎn)生鐵磁性.最近,Ohno等利用場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)改變磁性半導(dǎo)體層的空穴濃度,在只改變電場而不改變溫度的情況下,還成功證實了載流子誘導(dǎo)鐵磁性的產(chǎn)生和消失.半導(dǎo)體自旋電子學(xué)研究的目標(biāo)之一就是利