[科普中国]-隧道结自旋注入

自旋注入是实现自旋电子器件最基本的条件，隧道结自旋注入是注入方法之一，它是指通过真空的隧道结有效地将自旋注入电子中，甚至有可能是比扩散性传送好得多的方法。

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。

隧道结非磁层为绝缘体或半导体的磁性多层膜，即磁性隧道结（magnetie tunnel junetions，MTJ）。 这种磁性隧道结在横跨绝缘层的电压作用下，其隧道电流和隧道电阻依赖于两个铁磁层磁化强度的相对取向。 当此相对取向在外磁场的作用下发生改变时，可观测到大的隧穿磁电阻（TMR）。

MTJ可以分为两种基本类型，一种是硬-软MTJ，另一种是人们比较感兴趣的钉扎MTJ。在前者中，由于两个铁磁层具有不同的开关场，在不同的磁场下，两个铁磁层的磁化强度可以被设置成平行或反平行状态。在钉扎MTJ中，一个铁磁层的磁化强度被相邻反铁磁层通过交换作用所钉扎，从而使磁滞回线从零磁场对称位置平移一偏置场。相比之下，这种钉扎MTJ的行为比硬-软MTJ要复杂得多。

隧道结自旋注入简介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。

实验表明，在100K下，用一个100%自旋极化的STM探头作为电子源将极化的电子注入P型GaAs的表面，并同时记录下了重组发光的极化程度，结果表明，高度自旋极化流（92%）能够被注入GaAs。1

其他自旋注入方法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。

电导率失配模型有一定的局限性。首先，该模型是建立在漂移扩散输运基础上的，并不适用于弹道输运和隧穿输运；其次，该模型假设界面是没有电阻的，没有考虑金属俘导体接触可能形成的自旋相关的界面电阻，而界面电阻的性质是决定自旋注入的重要因素。因此，不能根据这一理论断定铁磁金属向半导体内的自旋极化注入是不可行的。

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