[科普中国]-自旋注入

将一束高度自旋极化流从铁磁性金属有效地注入到半导体中，这个过程叫做自旋注入。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不断发展，自旋注入半导体材料越来越受到人们关注。

背景简介电子除具有电荷属性外，还具有内禀的自旋属性。将自旋引入传统半导体器件中，用电荷和自旋共同作为信息的载体，可以发展新一代的自旋电子器件。长期以来，作为半导体和磁性材料最为重要的功能之一，信息处理与信息存取分别利用电子的电荷属性和自旋属性，两者各自独立地发展。但近年来，随着电子器件的进一步小型化和亚微米乃至纳米科学技术的发展，由于散热和工艺尺寸等因素的影响，基于电荷载体的半导体微电子学的研究进展受到很大限制，与此同时，金属自旋阀中巨磁电阻和隧道磁电阻效应的发现引发了磁存储和磁记录领域的革命，并由此产生了围绕电子自旋控制的跨越半导体和磁性材料的全新研究领域—自旋电子学。自旋电子学的研究已经成为凝聚态物理、信息科学及新材料等诸多领域共同关注的热点。

自旋电子学主要研究与电子电荷和自旋密切相关的过程，包括自旋源的产生、自旋注入、自旋输运、自旋检测及自旋控制，最终实现新型的自旋电子器件，如自旋量子阱发光二极管、自旋p-n结二极管、磁隧道效应晶体管、自旋场效应晶体管、量子计算机等。自旋电子学领域所关心的核心问题是利用系统材料与自旋相关的物理机制，实现非磁材料自旋注入和对自旋的操控，探测单个自旋、自旋相干性和自旋的弛豫等。人们普遍利用磁性材料实现自旋注入与检测;光学方法也有一定的应用，但基于电学方法的易于控制和实现以及现已发展相当成熟的半导体技术，如何用电学方法在半导体材料中有效地控制电子自旋，引起人们的极大关注。1

自旋注入简介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。

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。

隧道注入隧道注入，通过异质结的自旋注入已经不是一个新课题。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，一个金属一绝缘体-半导体二极管或者一个金属一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。2

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学