《【大学课件】自旋电子学.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【大学课件】自旋电子学.ppt（38页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、Ch 4 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）铁磁/半导体结注入方式的困难（3）自旋Hall效应(新)(物理所,理论研究者),http:/,Spintronics的含义？,电子：电荷和自旋（电子自旋为1/2）自旋极化：自旋向上与向下电子数不等。调控自旋极化的电流：注入、放大、检测。回忆：半导体MOS中 电流的“源”、“漏”和控制“门电极”下图：设想的一种自旋晶体管,http:/,（1）基本问题,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）,ht
2、tp:/,基本问题,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。,http:/,三种自旋注入实验,http:/,1，电注入电检测,铁磁/半导体结 早期：效率太低，P.R.Hammar et al，PRL 83，203（1999）S.Gardelis,et al,PRB 60,7764(1999),http:/,今年最新结果自旋注入的一条新路？,庞磁电阻碳纳米管（CMR）CNT）Nature 445（Jan 2007）410413 LSMO,http:/,自旋
3、注入的一条新路？高效率！低温？,？,http:/,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=1,000 Oe）检测：偏振光检测,http:/,2，电注入光检测（之二）,场致发光强度（左）极化度（右）,http:/,3，光产生光检测（之一）,强激光Pump在半导体中，产生了 Spin-polarized state,此时的半导体等效于”磁体”.可以用Farady-Kerr 效应做光检测Probe.,http:/,3，光产生光检测（之二）,
4、http:/,（2）铁磁/半导体结注入方式的困难,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。”,http:/,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！,http:/,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？,http:/,Schmidt的计算模型（3）
5、,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。,http:/,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，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（！）,http:/,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,http:/,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，i1，3。X1 0；X3 X0。（）分别对应 1，3。,h
6、ttp:/,Schmidt的计算模型（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,http:/,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,http:/,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,http:/,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”,http:/,Schmidt的计算模型（11）数值结果分析（材料因子分子小分母大）,http:/,理
7、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,http:/,http:/,（3）自旋Hall效应（Science 301，1348（2003）；PhysRevLett92,126603(2004)）,理论分析指出：很多半导体的载流子都具有自旋轨道耦合作用。如果 在该半导体上施加纵向电场，将会产生横向自旋流。（即自旋向上和向下的电子分别沿横向朝相反的方向流动）。这就会在横向积累不同取向的自旋，称为自旋霍尔效应。,http
8、:/,自旋注入的可能途径,自旋Hall效应诱导出的自旋流可以用作自旋注入。因为自旋流是从半导体中产生的，所以不存在电导率不匹配的问题。用这种方法得到的自旋输运可能是一种无耗散的过程。需要经实验证实。,http:/,自旋轨道耦合和电场的作用,以高迁移率二维电子系统（2DES）为例Rashba（1984）的Hamiltonian为其中，是Rashba耦合常数，是Pauli矩阵，是电子有效质量，是垂直于2DES平面的单位矢量，是动量。,http:/,有效磁场,另一种写法是其中，相当于一个作用在自旋上的有效磁场。比较普通Hall效应：电荷在磁场中受力,http:/,物理图像自旋（红色）垂直于 动量（绿
9、色），在能量上有利。看图（a）自旋取向彼此相反。,http:/,在x方向加电场（看图b）,电子在x 反方向加速，在动量空间产生漂移 动量漂移导致Rashba Hamiltonian的变化这等价于在自旋上施加一个变化的有效力场。,http:/,自旋的运动的Bloch方程（比较铁磁共振现象）,其中，是自旋的方向，是进动时受到的阻尼力。（注意：矢量和力矩的作用。）,http:/,自旋流,可以证明，动量空间漂移的结果是，在自旋上受到一个“顺时针”作用（力矩）。于是，一半自旋指向 方向；另一半自旋指向 方向。这就是自旋流。（看图b）,http:/,实验证据 Kato等2004,GaAs 和InGaAs 薄膜。激光束偏振面KR旋转角度，取决于（1）自旋极化程度（2）自旋方向与偏振方向夹角。移动入射激光束，在样品的两个边缘处，有KR存在；而且方向相反。,http:/,KR与样品位置、电场,http:/,KR换算成自旋密度。在电流方向均匀。（样品长方向）,http:/,结束,http:/,
