电子自旋
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14
半导体自旋电子学涉及到的问题
Datta-Das spin field effect transistor (SFET)
Igor Žutić, Rev. Mod. Phys. 76, 323 (2004)
自旋极化 的产生
自旋极化的输运
自旋极化 的检测
15
自旋的注入与检测
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）,即 n↑≠n↓。 自旋检测：自旋状态的改变。
方法一，光注入与探测（光取向或光抽运）。 方法二，电注入与探测（便于器件的应用）。
16
光注入与探测
光注入的电子自旋能够在低温下在n型的 GaAs中相干移动数个微米(Kikkawa and Awschalom, Nature 1999)。
自旋注入: 通过圆极化光，用来产生自旋 极化载流子----- 圆形偏振光脉冲 自旋探测: 通过时间分辨的Faraday 旋转 (线极化光的旋转)
11
GMR的其它应用
1．巨磁电阻（GMR）传感器的应用
1）GMR磁场传感器可用来导航及用于高速公路的车辆监控系统 2）GMR磁场传感器可来探测DC、AC电流及用作隔离器和电子线路中 的反馈系统（开关电源） 3）GMR传感器可用来测量微小的位移及其相关的应用 4）GMR角度位移及角速度传感器和相关应用 5）GMR医用及生物磁场传感器 6）GMR磁敏传感器在磁性介质的探测和在磁性油墨鉴伪点钞机中的应 用 7）GMR磁敏加速度传感器
2000 IBM and Infineon establish joint research program 2003 First MRAM chips sold by Cypress, 128KBit July 2006 Freescale starts selling 4MBit chips August 2007 IBM and TDK to start researching spin-momentum-transfer for 65nm – MRAM - chips
GMR原理简介
二流体模型： r R
电子自旋与铁磁层磁矩相同时，电子受到的散射弱， 电子自旋与所在层磁矩相反时，电子受到强烈的散射。
电阻小 电阻大
如果，平均自由程 λ ≥ t （单层厚度）
R↑↓=1/(1/(r+R)+1/(r+R))=(r+R)/2 R↑↑=1/(1/(r+r)+1/(R+R))=2Rr/(r+R)
23
19
20
自旋输运
自旋电流从FM电极注入半导体，会在界面 和半导体内产生“累计”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！
21
22
探测自旋输运有两个重要的标准：
1、采用独立的铁磁探测器测量非平衡自旋 数以保证没有电荷流流动----自旋流和电荷 流分离。 2、更严格的是观察到Hanle效应：纵向磁 场的进动和相移引起的自旋信号的调制和 抑制。
2．GMR在各种逻辑元件和全金属计算机中的应用
12
二. 半导体自旋电子学（Semiconductor Spintronics）
半导体自旋电子学将“自旋”极化载流 子引入到半导体中，利用电子电荷流动和 自旋的相互影响，将可能直接发展微电子 学的新的功能，使其更加丰富多样。改变 现代信息处理技术的模式，操作半导体中 的电子自旋自由度或同时操作半导体中的 电子自旋和电子电荷两个自由度同时进行 进行信息的传输、处理和存储。
一、起源——巨磁阻效应
所谓巨磁阻效应，是指磁性材料的电阻 率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时 存在巨大变化的现象，是在1988年，由费 尔和格林贝格尔就各自独立的。
4
巨磁电阻效应（ Giant 磁电子学 Fe/Cr超晶格by MBE Magnetoresistance，GMR） Fe
电阻 R=U/I Cr Fe Cr . . . Fe Cr
13
利用自旋控制半导体的行为的优势
1、具有更高的速度（自旋的速度高于电荷） 改变电子自旋取向要比改变电子运动状态要容 易和快； 2、低功耗：电荷相互作用的能量在eV量级， 而自旋相互作用在meV 量级； 3、非挥发性：停电不丢失数据； 4、同时进行进行信息的传输、处理和存储。 5、和金属器件相比的一个主要区别就是能够 放大信号，因此可以构成多功能设备。
自旋电子学
1
２００７年诺贝尔物理学奖
自旋电子学 GMR效应的发现
Albert Fert （法）
Peter Grünberg （德）
GMR效应的应用
2
IBM, S. S. P. Parkin
自旋电子学
自旋电子学是一门以研究自旋相关的现 象和器件为主的新兴学科。自旋注入、自 旋输运以及通过电学或者光学方法实现自 旋的检测与控制是自旋电子学研究至关重 要的内容。目前，自旋注入半导体遇到的 主要的困难是铁磁金属与半导体电阻不匹 配导致低自旋注入效率。但是目前为止高 居里温度、高自旋极化率的磁性半导体材 料还亟待开发。
GMR的发现的重要性：
产生了很多新兴学科，并引起人们对已经研究过的 学科的再研究的兴趣。 磁电子学 自旋电子学 （半导体自旋电子学）
广泛的应用性和巨大的应用价值
9
一. 硬盘
百度文库10
1988 Discovery of GMR by Peter Grünberg and Albert Fert (Nobel Prize 2007)
17
电注入与光探测
电注入与光探测是在有机LED 器件中被证实的 。(by Fiederling, Nature 1999; Ohno, Nature 1999; Jonker, PRL 2002) 自旋注入: 通过从磁性注入器（可以是顺磁的 也可以是铁磁的）获得自旋极化电流。 自旋探测: 通过探测光致发光的光极化率(到 重空穴和轻空穴的跃迁几率之差）。 电注入是可能的; 自旋相干能够被保持在 GaAs 空间！但是探测仍然是光。
18
电注入与电探测
Schmit 等人认为无效的电注入被发现与FM/SC 界面电导率错配率有关。 Rashba 研究发现存在一个合适的势垒层可控制 电流极化并影响FM/SC 界面两边的阻抗，因此通 过量子力学隧穿过程可产生非常高的自旋注入。 理论工作很早就证实了FM/SC 界面的自旋注入。 从FM向SC直接自旋注入的效率由于他们的电导 率的错配，非常低,但是当在界面处存在一个合适 的能垒如Schottky能垒，高效率的自旋注入也可 发生。
反平行---高电阻态 平行---低电阻态
M.N. Baibich et al., Phys. Rev. Lett. 61, 2472 (1988).
5
Cu NiFe AlOx
CoFe
Ru Co IrMn Py Cu Py Ta
Cu CoFe / NiFe AlOx CoFe IrMn FePy Cu Ta
MR=(R↑↑- R↑↓)×100%/ R↑↓
7
双电流模型的解释是建立在传导电子自旋相关散射 的理论框架内，将传导电子分为自旋向上和向下两类， 它们独立贡献于电导，并假定在散射过程中自旋取向 并不发生反转。当电子自旋与磁层的磁化方向(即FM自 旋向上的3d子带(多数自旋))同向时，电子平均自由程 较长，处于低电阻态。相反，其平均自由程短，为高 电阻态。在相邻磁层处于AF态时，由于每隔一层的磁 化方向将发生变化，当某一铁磁层处于低阻态，则下 一铁磁层必然处于高阻态，所以，总电阻亦较大。相 反，当相邻磁层处于FM磁序，自旋向上的电子总是处 于低阻态，从而形成短路。外磁场驱动相邻磁层从AF 向FM态转变，从而出现GMR效应。
半导体自旋电子学涉及到的问题
Datta-Das spin field effect transistor (SFET)
Igor Žutić, Rev. Mod. Phys. 76, 323 (2004)
自旋极化 的产生
自旋极化的输运
自旋极化 的检测
15
自旋的注入与检测
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）,即 n↑≠n↓。 自旋检测：自旋状态的改变。
方法一，光注入与探测（光取向或光抽运）。 方法二，电注入与探测（便于器件的应用）。
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光注入与探测
光注入的电子自旋能够在低温下在n型的 GaAs中相干移动数个微米(Kikkawa and Awschalom, Nature 1999)。
自旋注入: 通过圆极化光，用来产生自旋 极化载流子----- 圆形偏振光脉冲 自旋探测: 通过时间分辨的Faraday 旋转 (线极化光的旋转)
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GMR的其它应用
1．巨磁电阻（GMR）传感器的应用
1）GMR磁场传感器可用来导航及用于高速公路的车辆监控系统 2）GMR磁场传感器可来探测DC、AC电流及用作隔离器和电子线路中 的反馈系统（开关电源） 3）GMR传感器可用来测量微小的位移及其相关的应用 4）GMR角度位移及角速度传感器和相关应用 5）GMR医用及生物磁场传感器 6）GMR磁敏传感器在磁性介质的探测和在磁性油墨鉴伪点钞机中的应 用 7）GMR磁敏加速度传感器
2000 IBM and Infineon establish joint research program 2003 First MRAM chips sold by Cypress, 128KBit July 2006 Freescale starts selling 4MBit chips August 2007 IBM and TDK to start researching spin-momentum-transfer for 65nm – MRAM - chips
GMR原理简介
二流体模型： r R
电子自旋与铁磁层磁矩相同时，电子受到的散射弱， 电子自旋与所在层磁矩相反时，电子受到强烈的散射。
电阻小 电阻大
如果，平均自由程 λ ≥ t （单层厚度）
R↑↓=1/(1/(r+R)+1/(r+R))=(r+R)/2 R↑↑=1/(1/(r+r)+1/(R+R))=2Rr/(r+R)
23
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20
自旋输运
自旋电流从FM电极注入半导体，会在界面 和半导体内产生“累计”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！
21
22
探测自旋输运有两个重要的标准：
1、采用独立的铁磁探测器测量非平衡自旋 数以保证没有电荷流流动----自旋流和电荷 流分离。 2、更严格的是观察到Hanle效应：纵向磁 场的进动和相移引起的自旋信号的调制和 抑制。
2．GMR在各种逻辑元件和全金属计算机中的应用
12
二. 半导体自旋电子学（Semiconductor Spintronics）
半导体自旋电子学将“自旋”极化载流 子引入到半导体中，利用电子电荷流动和 自旋的相互影响，将可能直接发展微电子 学的新的功能，使其更加丰富多样。改变 现代信息处理技术的模式，操作半导体中 的电子自旋自由度或同时操作半导体中的 电子自旋和电子电荷两个自由度同时进行 进行信息的传输、处理和存储。
一、起源——巨磁阻效应
所谓巨磁阻效应，是指磁性材料的电阻 率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时 存在巨大变化的现象，是在1988年，由费 尔和格林贝格尔就各自独立的。
4
巨磁电阻效应（ Giant 磁电子学 Fe/Cr超晶格by MBE Magnetoresistance，GMR） Fe
电阻 R=U/I Cr Fe Cr . . . Fe Cr
13
利用自旋控制半导体的行为的优势
1、具有更高的速度（自旋的速度高于电荷） 改变电子自旋取向要比改变电子运动状态要容 易和快； 2、低功耗：电荷相互作用的能量在eV量级， 而自旋相互作用在meV 量级； 3、非挥发性：停电不丢失数据； 4、同时进行进行信息的传输、处理和存储。 5、和金属器件相比的一个主要区别就是能够 放大信号，因此可以构成多功能设备。
自旋电子学
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２００７年诺贝尔物理学奖
自旋电子学 GMR效应的发现
Albert Fert （法）
Peter Grünberg （德）
GMR效应的应用
2
IBM, S. S. P. Parkin
自旋电子学
自旋电子学是一门以研究自旋相关的现 象和器件为主的新兴学科。自旋注入、自 旋输运以及通过电学或者光学方法实现自 旋的检测与控制是自旋电子学研究至关重 要的内容。目前，自旋注入半导体遇到的 主要的困难是铁磁金属与半导体电阻不匹 配导致低自旋注入效率。但是目前为止高 居里温度、高自旋极化率的磁性半导体材 料还亟待开发。
GMR的发现的重要性：
产生了很多新兴学科，并引起人们对已经研究过的 学科的再研究的兴趣。 磁电子学 自旋电子学 （半导体自旋电子学）
广泛的应用性和巨大的应用价值
9
一. 硬盘
百度文库10
1988 Discovery of GMR by Peter Grünberg and Albert Fert (Nobel Prize 2007)
17
电注入与光探测
电注入与光探测是在有机LED 器件中被证实的 。(by Fiederling, Nature 1999; Ohno, Nature 1999; Jonker, PRL 2002) 自旋注入: 通过从磁性注入器（可以是顺磁的 也可以是铁磁的）获得自旋极化电流。 自旋探测: 通过探测光致发光的光极化率(到 重空穴和轻空穴的跃迁几率之差）。 电注入是可能的; 自旋相干能够被保持在 GaAs 空间！但是探测仍然是光。
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电注入与电探测
Schmit 等人认为无效的电注入被发现与FM/SC 界面电导率错配率有关。 Rashba 研究发现存在一个合适的势垒层可控制 电流极化并影响FM/SC 界面两边的阻抗，因此通 过量子力学隧穿过程可产生非常高的自旋注入。 理论工作很早就证实了FM/SC 界面的自旋注入。 从FM向SC直接自旋注入的效率由于他们的电导 率的错配，非常低,但是当在界面处存在一个合适 的能垒如Schottky能垒，高效率的自旋注入也可 发生。
反平行---高电阻态 平行---低电阻态
M.N. Baibich et al., Phys. Rev. Lett. 61, 2472 (1988).
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Cu NiFe AlOx
CoFe
Ru Co IrMn Py Cu Py Ta
Cu CoFe / NiFe AlOx CoFe IrMn FePy Cu Ta
MR=(R↑↑- R↑↓)×100%/ R↑↓
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双电流模型的解释是建立在传导电子自旋相关散射 的理论框架内，将传导电子分为自旋向上和向下两类， 它们独立贡献于电导，并假定在散射过程中自旋取向 并不发生反转。当电子自旋与磁层的磁化方向(即FM自 旋向上的3d子带(多数自旋))同向时，电子平均自由程 较长，处于低电阻态。相反，其平均自由程短，为高 电阻态。在相邻磁层处于AF态时，由于每隔一层的磁 化方向将发生变化，当某一铁磁层处于低阻态，则下 一铁磁层必然处于高阻态，所以，总电阻亦较大。相 反，当相邻磁层处于FM磁序，自旋向上的电子总是处 于低阻态，从而形成短路。外磁场驱动相邻磁层从AF 向FM态转变，从而出现GMR效应。