[科普中国]-弹道电子自旋注入

弹道电子自旋注入是隧道注入的另一种方式，弹道电子注入就是在弹道状态的铁磁体/半导体界面间进行自旋注入。

自旋注入自旋注入是实现自旋电子器件最基本的条件，随着自旋电子学在磁性和非磁性金属上的巨大成功，自旋注入半导体材料越来越受到人们关注。磁性材料俘导体界面的自旋注入是最基本的半导体自旋注入结构。作为自旋极化源的磁性材料有铁磁金属、磁性半导体和稀磁半导体三种。磁性半导体有较高的自旋注入效率，但是磁性半导体（如硫化铕）的生长极其困难，因此研究就集中在从稀磁半导体和铁磁金属向非磁半导体内的注入。稀磁半导体的铁磁转变温度远低于室温，虽然理论预测某些材料的铁磁转变温度可以高于室温，但是在开发出可以在室温下应用的稀磁半导体之前，铁磁金属/半导体的接触仍然是实现从自旋注入、操纵到检测全部电学控制的最有希望的方法。

弹道电子自旋注入简介隧道注入的另一种方式称为弹道电子注入，在弹道状态的铁磁体一半导体界面间进行自旋注入。铁磁性金属的两个传导带和半导体的不同，决定了基于自旋的界面弹道电子传送的可能性。一个自旋极化的电子一旦进入半导体的电极，它被原注射者打乱的可能性是非常小的。举例来说，如果在设计时包括了被注入的介质被铁磁性电极基于自旋的抓取，那么传送通过半导体的区域一定是一个完整的弹道，在此基础上进行的铁磁性和非铁磁性金属之间的实验结果表明，有大于40%的自旋极化流注入非铁磁性的金属中。1

其他注入方式欧姆式注入欧姆式注入，又可称作直接式或扩散式注入。在一个铁磁性的金属中，多数自旋向上的导电性与少数自旋向下的电子有着本质的不同，引起自旋极化的电流。对于自旋注入最直接的方法就是在铁磁性的金属和半导体之间形成一个欧姆式接触，以形成电流。但是典型的金属一半导体的欧姆式接触是在掺杂的半导体表而，引起了载流子的自旋翻转散射，造成自旋极化度的损失。

为此，最早的研究利用化学势和金属相差不多的半导体材料InAs和铁磁金属以欧姆接触的形式结合起来，InAs是少数几种可以和过渡金属形成陡峭界面且无Schottky的欧姆接触材料之一。尽管做了大量的研究，仍然只能在温度小于10K下得到4.5%的自旋极化注入。

由于金属比半导体的电导大几个数量级，因而根据欧姆定律，电流主要由电阻大的部分，即半导体部分的电阻决定，由于自旋向上和向下的两分支电流在半导体部分的电导基本相同，所以两分支电流也就相差不多，因而自旋注入效率当然很低。只有当铁磁体中的载流子是100%极化时，才有可能在扩散输运中得到有效的自旋注入。

隧道结自旋注入关于铁磁性金属和金属结（FM/M）与铁磁性金属和超导金属结（FM/SM）的理论已经成功地建立，并显示出了很好的结果。而近来对于关键的铁磁性金属和半导体结的研究表明，在利用有磁性探头的扫描隧道显微镜（STM）时，发现真空的隧道结能够有效地将自旋注入电子中，隧道结的边界还能保存自旋极化。因此，它有可能是比扩散性传送好得多的方法。

理论研究指出，如果一个界而上的阻抗很高的话，传送效果就会由参与隧道过程中两个电极基于自旋的电子状态所决定。通过界而的电流会很小，电极处于平衡，相对导电性较好的电极也不会对自旋传输起到限制作用。因此，一个金属-绝缘体-半导体二极管或者一个金属-半导体二极管和铁磁性金属电极的搭配，都被认为是一个将自旋注入半导体的好方法。理论计算也证实了这个结论。

热电子注入这种注入方法是采用自旋极化的热电子通过一个隧道结注入到铁磁层。注入热电子的能量通过调节隧道结的偏压来调节。由于多数和少数自旋电子的非弹性平均自由程有很大的差异，预计当热电子通过铁磁金属就可以产生大于90%极化率的电子电流。按照界面处半导体和金属的能带结构所决定的传输几率，高度极化的电流可以保留相当的一部分，进入半导体的弹道电流仍然是高度极化的。2

本词条内容贡献者为:

张磊 - 副教授 - 西南大学