论文综述

半导体自旋电子学

摘 要:自旋电子学是一门最新发展起来的涉及磁学、电子学以及信息学的交叉学科.自旋电子器件与普通半导体电子器件相比具有不挥发、低功耗和高集成度等优点.本文介绍了半导体自旋电子学的研究对象和内容,主要包括磁性半导体、自旋注入、自旋探测以及自旋输运等.本文综述了半导体自旋电子学目前的研究进展及其在自旋电子器件和量子信息处理中的应用.

关键词:半导体自旋电子学;自旋电子器件;磁性半导体

Semiconductor Spintronics

Abstract:Spintronics,at the cross of magnetism,electronics and informatics,is a new emerging field of research inconsiderable expansion.The advantages of the spintronic devices would be nonvolatility,increased data processing speed,decreased electric power consumption and increased integration densities compared with conventional semiconductor electronic devices. In this paper, an introduction to semiconductor spintronics that includes magnetic semiconductor, spin injection into semiconductor, spin detection and spin transport, etc,is given. Thereafter,the current development of the investigation on semiconductor spintronics and its applications in the electron spin devices and realization of quantum computers are reported in this paper. Key words:semiconductor spintronics; spin electric devices; magnetic semiconductor 1 电子自旋概述

电子除了具有电荷的属性外,还具有内禀自旋角动量,在外磁场中,不仅受洛仑兹力的作用,还通过内禀磁矩和外场发生耦合.将自旋属性引入半导体器件中,用电子电荷和自旋共同作为信息的载体,将会发展出新一代的器件.尽管人们在20世纪20年代就发现了电子的自旋特性,但一直未能发现电子自旋的应用价值.现代电子器件只应用了电子的电荷特性,而忽略了电子的自旋特征.直到1988年,Baibich等人在(Fe/Cr)多周期薄膜组成的超晶格结构中观察到了巨磁阻效应,并解释为Cr原子对Fe层膜中导电电子的散射强度的电子自旋取向依赖效应[1],才使人们认识到了电子自旋的应用价值.之后,对电子自旋的研究成了国际上一个新的研究热点,美国、德国和法国等发达国家投入了大量的人力、物力开展电子自旋特征、电子自旋的控制、输运等研究和基于电子自旋效应的电子器件的开发,以致于形成了一个新的学科———自旋电子学(Spinronics)[2].与传统的电子器件相比,自旋电子器件具有稳定性好、数据处理速度更快、降低功率损耗以及集成密度高等优点[2].

2 半导体自旋研究进展

自Baibich等人报道巨磁阻效应后,国际上就开始了自旋电子器件的研制.目前研制的自旋电子器件主要是基于铁磁金属,已研制成功的自旋电子器件包括巨磁电阻(GMR)[3-4]、自旋阀(SV)[5],和磁隧道结(MTJ)[6],正在研制、近期将具有商品化产品的自旋电子器件有磁随机访问存储器(MRAM)[7].GMR、SV、MTJ和MRAM器件均是基于铁磁金属发展的自旋电子器件.然而,基于铁磁金属难于发展具有放大功能的自旋晶体管[8],也难于实现自旋器件的集成制造和与传统微电子器件的一体化集成制造.所以,目前国际上自旋电子学的研究重点集中在半导体自旋电子学,希望利用半导体中电子和空穴的自旋自由度实现自旋电子器件与传统电子

器件的集成制造.

半导体自旋电子学有两个分支领域[9]:一个是半导体磁电子学,它是利用磁性半导体材料或者磁性/半导体的复合材料,将磁性引入到半导体中来,由此可以研制光学隔离器、磁传感器以及非挥发性内存等新的半导体器件,而且这些都可以集成到其他半导体器件和电路中.如果将光学、磁学和电学性质结合起来,还会产生自旋场效应晶体管、自旋发光二极管以及自旋共振隧穿器件等全新的多功能自旋器件.另一个领域是半导体量子自旋电子学,它主要是利用电子自旋的量子力学特性.比如说,许多非磁性半导体中的自旋相对于电子极化有比较长的相干时间,并且可以被光场或电场控制,所以在一个量子力学系统中自旋控制很容易实现.这种性质可以促进新的固体量子信息处理器件的发展,如T赫兹光开关、调制器、加密/解码器以及量子比特等等.

但到目前为止尚没有任何实际的半导体器件运用。通常人们利用磁场使得电子产生自旋劈裂，并操控自旋的状态。但是磁场在半导体器件中是难于出现的，因此从半导体实用化的角度考虑，人们更希望利用易于实现的电场来操控电子自旋。但电场通常是直接控制的是电子的空间轨道运动。

但由电场控制电子自旋与传统的磁场控制的物理机制是完全不同的。电场控制电子沿其轨道运动，磁场可以操控磁矩及其自旋动力学，但仅仅对于在真空中慢速运动的电子来说。然而，在晶体周期场中运动的电子来说，即便它的平均速度较慢，以上的物理图像就变得非常不同。电子的运动除了在空间中的运动，还包括围绕原子核的轨道运动，而这种运动由于速度较快，因而展现除相对论效应。在相对论情形下，电子的自旋和轨道运动耦合在一起，不再是相互独立的运动。因此，电场是通过控制电子的轨道运动而间接地控制电子自旋的。 目前半导体自旋电子学已在材料的制备、自旋注入与输运、自旋控制和操纵等方面取得了很多进展.

参考文献:

[ 1] Baibich M N,Broto J M,Fert A.et al.Giant Magnetoresistance of(OO1)Fe/(001)Cr Magnetic Superlattices[ J].Phys.Rev.Lett,1988, 61(21):2472-2475.

[2] Wolf S A,Awschalom D D,Buhrman R A,et al.Spintronics:ASpin—Based Electronics Vision for the Future[ J].Science,2001, 294:l488-1495.

[3] Barnas J,Fuss A,Camley R E,et al.Novel MagnetoresistanceEffect in Layered Magnetic Structures:Theory and Experiment[J].Phys.Rev.B,1990,42:8ll0. [4] Prinz G A.Magnetoelectronics[J].Science,1998,282:l660-1663.

[5] Parkin SSP,Mauri D.Spin Engineering:Direct Determination of the Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida Far-Field Range Function in Ruthenium[J]. Phys. Rev.B,1991,44:7131-7134. [6] Moodera J S,Kinder Lisa R,Wong Terrilyn M,et al.Large Magnetoresistance at Room Temperature in Thin Film Tunnel Junctions[J].Phys.Rev.Lett.,1994,74:3273-3276. [7] Koh G H,Kim H J,Jeong W C.et al.Fabrication of High Performance 64 kb MRAM[J].J.of Magnetism and Magnetic Materials,2004,272-276:1941-l942.

[8] Sarma S Das,Fabian Jaroslav,Hu Xuedong.et a1.Spin Electronics and Spin Computation[J].Solid State Communications,2001,119:207-215.

[9] Ohno H, Matsukura F, Ohno Y. Semiconductor Spin Electronics[J]. JSAP International, 2002,(5):4-13.

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