稀磁半導體與自旋電子學第1頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月軟磁材料：在工業(yè)化潮流的推動下，上個世紀早期低矯頑力的軟磁材料迅速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了硅鋼、坡莫合金等軟磁材料。在無線電技術需求的推動下，40年代又發(fā)展了適用于射頻的磁粉介質、鐵氧體材料，特別是后者，為電子技術帶來了翻天覆地的變革。永磁材料：金屬永磁體，碳鋼、鎢鋼及鈷鋼等。鐵氧體稀土永磁材料在基本磁學問題研究取得不斷進展的同時，磁性材料的應用也得到了快速發(fā)展。永磁材料在微波通訊、音像和數(shù)字紀錄、信息技術以及工業(yè)、國防和日程生活等各領域的應用極為廣泛。第2頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月現(xiàn)代磁學向新磁學的過渡經過近一個世紀的探索，對傳統(tǒng)磁性基本問題的認識逐漸趨于成熟盡管還存在一些有待于進一步澄清的問題，整體來講基本磁學理論已經建立，對磁相關現(xiàn)象的認識不斷深化，從表面到本質、從宏觀到微觀，解釋也逐漸趨于完善。對非強電子關聯(lián)磁系統(tǒng)，已經可以從理論上準確預言體系的基態(tài)磁結構、磁化強度、電子自旋極化率。有關傳統(tǒng)固體軟磁和硬磁性的研究，已逐漸成為材料科學問題，而較少在凝聚態(tài)物理領域討論了，磁學研究的重心逐漸從傳統(tǒng)磁學轉向以自旋電子學為標志的新磁學研究。第3頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月自旋電子學是基于操縱和控制自旋的電子學，它或將自旋(或磁性)作為信息的載體，通過電流或電壓進行操控;或將自旋或磁場作為操控電荷或電流信息的手段。操縱電子自旋是指控制自旋的布居，或操控載流子集合的自旋取向，或對單個電子或少數(shù)電子自旋進行相干操控。自旋電子學可同時利用電子的自旋和電荷的性質，以實現(xiàn)電子學的功能或量子計算。自旋電子學的研究對象包括電子的自旋極化、自旋相關散射、自旋弛豫以及與此相關的性質及其應用等。目前超大規(guī)模集成電路上元件的密度已達，器件尺寸已接近目前公認最小尺度20nm，要想突破這個尺寸限制，就必須利用電子的自旋,把自旋作為信息儲存、處理、輸運的主體。第4頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月按照美國加州大學Awschalom教授的觀點，自旋電子學器件可分為三個層次：基于鐵磁性金屬的器件；自旋注入半導體器件；單電子自旋器件。目前進人應用的器件(如GMR自旋閥)還只處于第一層次，對于自旋控制和自旋極化輸運的了解處于較為膚淺的階段，對各種新現(xiàn)象、新效應的理解基本上只是半經典的和唯象的。因此，自旋電子學的發(fā)展還面臨很多更大的挑戰(zhàn)，當然，機遇與挑戰(zhàn)是并存的。自旋電子學器件的三個層次第5頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月一、基于鐵磁金屬的自旋電子器件巨磁電阻(GMR)效應鐵磁金屬與合金的飽和磁致電阻值很小，只有約1%一5%。1988年，F(xiàn)e/Cr金屬多層膜在外磁場中電阻變化率高達50%的巨磁電阻效應(GMR)被發(fā)現(xiàn)，各國科學家開始從理論和實驗上對多層膜GMR效應展開了廣泛而深人的研究。GMR產生機制取決于非鐵磁層兩邊的鐵磁層中電子的磁化(磁矩)方向，用于隔離鐵磁層的非鐵磁層，只有幾個納米厚，甚至不到一個納米。當這個隔離層的厚度是一定的數(shù)值時，鐵磁層的磁矩自發(fā)地呈現(xiàn)反平行，而加到材料的外磁場足夠大時，鐵磁材料磁矩的方向變?yōu)橄嗷テ叫小ｋ娮油ㄟ^與電子平均自由程相當厚度的納米鐵磁薄膜時，自旋磁矩的取向與薄膜磁化方向一致的電子較易通過，自旋磁矩的取向與薄膜磁化方向不一致的電子難以通過。因此，當鐵磁層的磁矩相互平行時，載流子與自旋有關的散射最小，材料有最小的電阻。當鐵磁層的磁矩為反平行時，與自旋有關的散射最強，材料的電阻最大，從而使磁電阻發(fā)生很大變化。第6頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月第7頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月自旋閥(Spin-valve，SV)對于反鐵磁藕合的多層膜,需要很高的外磁場才能觀察到GMR效應，故并不適用于器件應用。在GMR效應基礎上，人們設計出了自旋閥，使相鄰鐵磁層的磁矩不存在(或只存在很小的)交換耦合。自旋閥的核心結構是兩邊為鐵磁層，中間為較厚的非鐵磁層構成的GMR多層膜。其中，一邊的鐵磁層矯頑力大，磁矩固定不變，稱為被釘扎層；而另外一層鐵磁層的磁矩對小的外加磁場即可響應，為自由層。由于被釘扎層的磁矩與自由層的磁矩之間的夾角發(fā)生變化導致GMR的電阻值改變。如此，在較低的外磁場下相鄰鐵磁層磁矩能夠在平行與反平行排列之間變換，從而引起磁電阻的變化。自旋閥結構的出現(xiàn)使得巨磁電阻效應的應用很快變?yōu)楝F(xiàn)實。第8頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月這種非耦合型自旋閥的優(yōu)點有（1）磁電阻變化率對外磁場的響應呈線性關系，頻率特性好；(2)飽和場低，靈敏度高。雖然自旋閥結構的磁電阻變化率不高，通常只有百分之幾，但飽和場較低，使磁場靈敏度大大提高；(3)自旋閥結構中鐵磁層的磁矩的一致轉動，能夠有效地克服巴克豪森效應，從而使信噪比提高。第9頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月磁隧道結(MagneticTunnelJunctions，MTJ)非磁層為絕緣體或半導體的磁性多層膜即磁性隧道結，通常，磁性隧道結是由兩層納米磁性金屬薄膜(FM)和它們所夾的一層氧化物絕緣層（I）所組成的三明治結構(FM/I/FM)，I層的厚度約為1~1.5納米。這種磁性隧道結在橫跨絕緣層的電壓作用下，其隧道電流和隧道電阻依賴于兩個鐵磁層磁化強度的相對取向。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人另一個電極的少數(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，隧道電導過程中一個電極中費米能級處占據多數(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?。通過絕緣層勢壘的隧穿電子是自旋極化的，可觀測到大的隧穿磁電阻(TMR)。隧道結巨磁電阻可得到比自旋閥更高的MR數(shù)值，新近的水平在室溫下達到40%。同時，磁隧道結還具有低功率損耗、低飽和場等特點。MTJ技術已用于制備比自旋閥更先進的磁盤讀出頭，目前得到的磁記錄密度最高約為20Gb每平方英寸。第10頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月MagneticTunnelJunctions第11頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月磁性隨機存取存儲器(MagneticRandomAccessMemory，MRAM)第12頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月二、基于半導體的自旋電子學在半導體中有可能實現(xiàn)包括放大器在內的多種功能的自旋電子學器件。在半導體中和自旋相關的現(xiàn)象比金屬中更為豐富。自旋極化除了和外界的磁、光、電存在各種相互作用以外，在內部也存在多種相互作用：自旋一軌道相互作用、交換相互作用、電子自旋和核自旋之間的超精細結構相互作用等。一些新的功能可以通過自旋注入、自旋輸運和控制自旋態(tài)來實現(xiàn)。這些涉及半導體材料的自旋研究工作自然就導致半導體自旋電子學的出現(xiàn)。按照磁性分類，存在三種類型的半導體：磁性半導體、稀磁半導體和非磁性半導體第13頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月關于磁性半導體的研究可以追溯到上個世紀60年代。首先是關于濃縮磁性半導體(ConcentratedMagneticSemiconductor)的研究。所謂濃縮磁性半導體即在每個晶胞相應的晶格位置上都含有磁性元素原子的磁性半導體,例如Eu或Cr的硫族化合物:巖鹽結構(NaCl-type)的EuS和EuO以及尖晶石結構(Spinels)的CdCr2S4和CdCr2Se4等，這些濃縮磁性半導體也被稱為第一代磁性半導體。巡游載流子和磁性離子的局域電子之間相互作用使得這些濃縮磁性半導體具有一些引人注目的物理性質，尤其在金屬-絕緣體相變點附近的光學和輸運性質強烈地依賴于磁矩和外加磁場。上個世紀60年代末至70年代初人們對它們進行了廣泛的研究,在基本磁性質、磁光和磁輸運特征方面取得了一些重要的研究成果，現(xiàn)在倍受重視的重費米子體系就是那時眾多研究結果的副產品之一。最近的研究結果表明,摻雜的Eu硫族化合物靠近導帶邊的電子具有100%自旋極化度，并且適當?shù)膿诫s濃度可以使這類材料的電導率與半導體材料的電導率相匹配。如果不是因為居里溫度太低,濃縮磁性半導體也可以作為理想的完全自旋極化的源材料。第14頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月Eu硫族化合物居里溫度很低，如未摻雜EuS和EuO的最高居里溫度分別為16.5K和69.3K，即使摻入4%的Gd，EuO的最高居里溫度也只能達到170K，遠低于實際應用的要求；尖晶石結構的CdCr2S4和CdCr2Se4的居里溫度也很低，分別為84.5K和129.5K。限制濃縮磁性半導體實際應用的不僅僅是其遠低于室溫的居里溫度,高質量的濃縮磁性半導體薄膜及其異質結構的生長制備和加工方面也存在著難以克服的困難,因此,迄今為止這些巖鹽結構和尖晶石結構的磁性半導體主要用于基礎研究和概念型器件的研究。第15頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月進入上個世紀80年代，人們開始關注稀磁半導體(DilutedMagneticSemiconductor)即少量磁性元素與II-VI族非磁性半導體形成的合金，如(Cd,Mn)Te和(Zn,Mn)Se等，這些II-VI族稀磁半導體可以稱為第二代磁性半導體。II-VI族稀磁半導體的磁性質受局域自旋之間的反鐵磁性超交換作用控制，不同的磁性原子濃度和不同的溫度條件可以導致順磁、自旋玻璃或反鐵磁等不同磁性行為。許多II-VI族稀磁半導體的光學性質如法拉第(Faraday)效應可以被外加磁場大幅度的調制，利用塊狀(Cd,Mn)Te和(Cd,Hg,Mn)Te晶體的巨法拉第效應和高透明度等特點制備出的波長為0.98微米的光隔離器已經實現(xiàn)商品化。雖然II-VI族稀磁半導體相對容易制備，但是若摻雜成n型或p型卻是非常困難的，這嚴重地限制了其實際應用。第16頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月上世紀80年代末和90年代中期，利用低溫分子束外延技術(LT-MBE)生長的Mn摻雜III-V族稀磁半導體(In,Mn)As和(Ga,Mn)As等引起了人們的高度關注，我們可以稱以(Ga,Mn)As為代表的III-V族稀磁半導體為第三代磁性半導體。這些III-V族稀磁半導體很容易與III-V族非磁性半導體GaAs、AlAs、(Ga,Al)As和(In,Ga)As等結合形成異質結構，并且與呈現(xiàn)巨磁阻(GMR)效應的金屬多層膜類似,其異質結構中也存在著自旋相關的散射、層間相互作用耦合、隧穿磁阻等現(xiàn)象。更有意義的是，幾個實驗室已經得到了III-V族稀磁半導體自旋相關器件的一些雛形。例如，Ohno實驗室設計制備出(Ga,Mn)As基自旋光發(fā)射二極管(Spin2LED)和(In,Mn)As基自旋場效應晶體管(Spin-FET)等?？梢哉f,(Ga,Mn)As等III-V族稀磁半導體的問世揭開了磁性半導體研究新的一頁。第17頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月目前,(In,Mn)As和(Ga,Mn)As的居里溫度分別低于90K和173K，尚不能滿足實際工作要求。Dietl等用平均場模型計算得出一些半導體(包括III2V、II2VI和IV族)的居里溫度在Mn摻雜含量和空穴濃度達到一定水平時可以提高到室溫以上,因此,提高稀磁半導體的居里溫度、探索新的磁性半導體材料已經成為目前半導體自旋電子學研究的一個熱點。LT-MBE第18頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月Predicted

CurieTemperatures

(Tc)forvariousp-type

semiconductors第19頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月Electro-opticalinjectionanddetectionRaisingtheCurietemperature第20頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月半導體自旋電子學主要包括兩個領域：半導體磁電子學(SemiconductorMagneto-electronics)它是將磁性功能結合進半導體中,如磁性半導體或半導體與磁性材料的復合材料。由此可以研制光學隔離器、磁傳感器以及非揮發(fā)性內存等半導體器件。如果將光學、磁學和電學性質結合起來，還會產生自旋場效應晶體管、自旋發(fā)光二極管和自旋共振隧穿器件等多功能自旋器件。換言之，將磁與電和光結合到一起,形成所謂的金三角(GoldenTriangles)半導體量子自旋電子學（SemiconductorQuantumSpinElectronics）它主要是指自旋的量子力學特性在半導體中的應用。如T赫茲光開關、調制器、加密/解碼器以及量子比特等等。第21頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月OpticalIsolators

第22頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月第23頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月Spin-LED（Electro-opticalinjectionanddetection）

第24頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月自旋的注人、輸運和檢測是實現(xiàn)自旋電子器件最基本的條件。自旋注入就是自旋極化的形成，本質就是自旋的非平衡布局。在自旋注人方面，最大的問題是如何將一束高度自旋極化的電流從稀磁半導體有效并且沒有大損失地注人到普通半導體中。實現(xiàn)自旋注入主要有兩種方法：其一是光取向或光抽運這些