自旋电子学课件.ppt
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1、Ch 4 自旋电子学自旋电子学本讲(本讲(2学时)内容重点:学时)内容重点:(1)基本问题)基本问题 自旋的注入、输运和检测自旋的注入、输运和检测(2)注入的障碍)注入的障碍设想的自旋场效应晶体管设想的自旋场效应晶体管 基本问题基本问题(比较(比较MOSFET)源-自旋注入自旋注入通道-自旋传输自旋传输漏-自旋检测自旋检测门-自旋控制自旋控制门电压产生“等效磁场”(自旋轨道),影响自旋进动改变“漏”电流基本问题的含义(基本问题的含义(1)(1)自旋注入自旋注入 “使传导电子自旋极化使传导电子自旋极化”即产生即产生非平衡的自旋电子(占有数)非平衡的自旋电子(占有数)n n 方法之一,光学技术。光
2、取向或光抽运。方法之一,光学技术。光取向或光抽运。方法之二,电学自旋注入。(便于器件的应用)方法之二,电学自旋注入。(便于器件的应用)基本问题的含义(基本问题的含义(2)(2)自旋传输自旋传输 自旋电流从自旋电流从FM电极注入半导体,电极注入半导体,会在界面和半导体内产生会在界面和半导体内产生“累积累积”自旋弛豫机制自旋弛豫机制 会使得自旋的非平衡转向平衡会使得自旋的非平衡转向平衡。这个特征时间大约是几十纳秒,足够长!这个特征时间大约是几十纳秒,足够长!(3)自旋检测自旋检测 自旋状态的改变。自旋状态的改变。三种自旋注入实验三种自旋注入实验 工作方式工作方式实验器件实验器件优点优点困难困难1电
3、注电检 FM/Semic 结电方案效率低2电注光检 磁性半导体多层 电方案低温3光生光检 GaAs/ZnSe实验室易实现不易应用(1)电注入)电注入电检测电检测(之一)(之一)FM/Semic 界面 早期:效率太低,早期:效率太低,1P.R.Hammar et al,PRL 83,203(1999)S.Gardelis,et al,PRB 60,7764(1999)(1)电注入)电注入电检测电检测(之二)(之二)近期:FM肖特基势垒SC,据称效率达到 30。别人尚未重复!别人尚未重复!A.T.Hanbickia)et al APL 80,1240(2002)(2)电注入)电注入光检测(之一)光
4、检测(之一)实验:实验:磁性半导体磁性半导体电注入 和 偏振光检测 (Nature 402(1999)790;ibid.408(2000)944)产生:产生:P型型(Ga,Mn)As 的自旋极化空穴 和N型型GaAs的非极化电子 进入InGaAs量子阱复合,产生极化的场致发光。产生极化的场致发光。(T=6K;H=1,000 Oe)检测检测:偏振光检测偏振光检测(2)电注入)电注入光检测光检测(之二)(之二)场致发光强度(左)极化度(右)(3)光产生)光产生光检测(之一)光检测(之一)Wolf S A Awschalom et al,Science,2001,294,1488强激光强激光Pump
5、在半导体中,在半导体中,产生了产生了 Spin-polarized state,此时的半导体等效于此时的半导体等效于”磁体磁体”.可以用可以用Farady-Kerr 效应效应做光检测做光检测Probe.(3)光产生)光产生光检测光检测(之二)(之二)Schmidt“障碍障碍”电注入的问题在那里?电注入的问题在那里?“从铁磁金属直接发射电子到半导体中从铁磁金属直接发射电子到半导体中”。“这种自旋注入方式,面临一个基本障碍。这种自旋注入方式,面临一个基本障碍。那就是这两种材料之间的电导失配。那就是这两种材料之间的电导失配。”Schmidt的计算模型的计算模型(1)结构:结构:FM金属(金属(1)/
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