自旋電子學

自旋電子學

自旋電子學 (Spintronics),也稱磁電子學。它利用電子的自旋和磁矩,使固體器件中除電荷輸運外,還加入電子的自旋和磁矩。是一門新興的學科和技術。

簡介

(2) 尖端自旋電子元件 (3) 先進磁性材料科技(2) 尖端自旋電子元件 (3) 先進磁性材料科技

自旋電子學spintronics),是利用創新的方法,來操縱電子自旋自由度的科學,是一種新興技術。套用於自旋電子學的材料,需要具有較高的電子極化率,以及較長的電子鬆弛時間。許多新材料,例如磁性半導體半金屬等,近年來被廣泛的研究,以求能有符合自旋電子元件套用所需要的性質。

硬碟磁頭是自旋電子學領域中,最早商業化的產品。此外,尚有許多充滿潛力的套用,例如磁性隨機記憶體、自旋場發射電晶體、自旋發光二極體等。

歷史

1980年在固態器件中發現了與電子自旋有關的電子輸運現象。開始出現了自旋電子學。

1985年詹森和西爾斯比觀察到,鐵磁金屬把極化di電子注如入普通金屬;艾伯特·費爾蒂等和彼得·格倫伯格發現巨磁電阻效應。還可追溯到梅澤夫和特德羅的鐵磁和超導體隧道實驗,以及1970年的祖利爾(Julliere)磁隧道結。利用半導體作磁電子學器件,可追溯到1990年達它(Datta)和達斯(Das)的理論提議自旋場效應二極體。

1988年,法國科學家Fert小組在[Fe/Cr]周期性多層膜中,觀察到當施加外磁場時,其電阻變化率高達50%,因此稱之為巨磁電阻效應(GiantMagnetoresistance,GMR)。在反鐵磁耦合的多層膜中,出現巨磁電阻的必要條件就是近鄰磁層中的磁矩相對取向在外磁場的作用下可以發生變化,因此需要很高的外磁場才能觀察到GMR效應,不適合於器件套用。後來,人們設計出一種三明治結構使相鄰鐵磁層的磁矩不存在(或很小)交換耦合,在較低的外磁場下相鄰鐵磁層的磁矩從平行排列到反平行排列或從反平行到平行排列,從而引起磁電阻的變化,這也就是所謂的自旋閥結構(spinvalve)。自旋閥結構的出現使得巨磁電阻效應的套用很快變為現實。

1995年,人們以絕緣層Al2O3代替導體Cr,在Fe/Al2O3/Fe三明治結構中觀察到很大的隧道磁電阻(TunnelingMagnetoresistance,TMR)現象,開闢了自旋電子學的又一個新方向。除了上面提到的磁性多層結構,半導體自旋電子學如磁性半導體,磁性/半導體複合材料,非磁性半導體量子阱和納米結構中的自旋現象以及半導體的自旋注入的研究在GMR發現後也變得十分活躍,極大地豐富了自旋電子學的內容。可以說,自旋電子學目前正處於發展時期,很多新的現象和套用隨著科學技術的發展和人們認識水平的提高將會不斷被揭示和發現。

套用

硬碟驅動器

現代硬碟驅動器的讀出磁頭是以GMR或TMR效應為基礎的。

摩托羅拉已發展了第一代256kb 磁阻隨機存儲器(MRAM),它是以單片磁隧道結和一個單電晶體為基礎的。它的讀、寫周期在50毫微秒以下。現在(21世紀)正發展第二代磁阻隨機存儲器:由科羅卡斯(Crocus)技術發展而成熱助開關,和自旋矩傳遞(STT),科羅卡斯,IBM,和幾家公司都以此為基礎進行工作。

其它在發展中的設計,稱為跑道存儲器(Raaacetrack memory)用一根鐵磁金屬線疇壁間的磁化向量的方向進行解碼。還有用GMR效應做成磁感測器。

金屬為基的自旋電子學器件

在金屬中產生自旋極化電流的最簡單方法是把電流通過鐵磁材料。這種效應的最普通套用是巨磁阻(GMR)器件.一典型GMR器件最少含中間夾層隔開的二層鐵磁材料。當這二鐵磁層的磁化向量相同取向時,它的電阻比這二鐵磁層反向時的低。用這種效應可構成磁場感測器。

已有二種GMR用到器件中:(1)電流流經平面(CIP),電流沿層面流過。和(2)電流垂直層面流過(CPP)。

半導體為基的自旋電子器件

鐵磁半導體源(如GaMnAs)可增加帶隧道勢壘或熱電子注入的介面電阻。

另外的需要是撿測半導體中的自旋,下面的技術可以適用:

1.法拉第/科爾轉動傳送/反射光子。

2.場致發光的園極化分析。

3。非局域自旋閥。

4.衝擊自旋過濾。

後面的技術是用來克服缺少自旋-軌道相互作用,使自旋在矽內傳輸。矽是電子學中最重要的半導體。

其它以金屬為基的自旋電子器件

1.用電子通過用薄層分開的鐵磁層的量子力學隧道效應做成的隧道磁電阻(TMR).
2.自旋矩傳遞。用自旋極化電子的電流控制器件中鐵磁電極磁化強度的方向。

優勢

用自旋極化電注入的半導體雷射套用已顯示可以降低閥值電流和可控制的園極化相關光的輸出。進一步的套用包括自旋為基的電晶體,它比金屬氧化物半導體場效應電晶體的器件更優越。

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