半导体自旋电子学的最新研究进展
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１８年 ，在磁 性 多 层膜 中 首 次发 现 了 巨磁 阻 效应 ［］ ９８ １ ，特 别 是 １９年 ９５ 在 铁磁 隧道 结材料 中发现 了室温 隧 穿磁 电阻效 应 ［］ ２ ，人 们对 电子 自旋 自由 度 的研 究 势如 破竹 。现在 研 究 电子 自旋 的控 制与 输 运 已经成 为 凝聚 态 物理 研 究 的热 点之 一 ，并 由此 发展 成 一 门新 的交 叉学 科— — 自旋 电子学 ， 也被 称 为磁 电子学 。 目前 已经 研制 成 功 的 自旋 电子器 件 ： 巨磁 电阻 、 自旋 阀、 磁 隧道 结 等 ，都 是基 于铁 磁 金属 材料 ， 与传 统 的 电子器 件相 比， 自旋 电子
【 新 技术产 业发 展 】 ＿ 高 蠢一
半 导 体 自旋 电子 学 的最 新 研 究 进 展
张家鑫 １ 许丽萍 １ 王忠斌 １ 范石伟２
（． １中北大学 理学硫物理系 西 太原 ００５； ． 蒙古科技大学 材料 山 ３０１ ２内 与冶金学院 内 蒙古 包头 ０４１） １０ ０
摘
要 ： 自 电子学起源 于巨磁阻效 应 （ Ｍ ）， 目前 已经成为凝聚 态物理学领 域的研究热 点，其中半 导体 自旋 电子学 是 自旋 电子学 中人们所关注 的一个重要 旋 ＧＲ
器 件 的集 成制 造和 与传 统 微 电子 器件 的一 体 化集 成 制造 。 因此 人们 认 为半 导体 是研 究 自旋 电子 器件 集成 化 最好 的材 料 ，于 是 就形 成 了今 天 的半 导体 自旋 电子学 ， 为当 今物 理领域 研 究的热 点 。然 而 ， 目前 ，对 半导体 自旋 电 成 子 的研 究 还处 于理 论和 实 验 阶段 ，主 要研 究 基本 问题 是 如何 实 现半 导 体 中 电子 自旋 的极 化注 入 、检 测 、输 运 以及 自旋 流 的产 生 。本 文就 半导 体 自旋 电子学 的研 究进展 作 一个简 单 的论述 。 １自旋 电子 的注入
领域。从磁性 半导体、 自旋 电子的注入 、检测 、输运等方面 综述半导体 自旋电子学 的最新研究进展 ，并且指出 目前 半导体 自旋 电子 学研究的重点及难 点。 关键 词： 巨磁 阻效应 ；电子注入；半 导体 自旋 电子学 ； 自旋输运 中图分类号 ：Ｔ ３ 文献标 识码：Ａ 文 章编号 ：１ ７ － ７ ９ （ ０ ０ ０ ０ ３ －０ Ｎ ６ １ ５ ７ ，数 据 处理 速 度 快 ， 功 率损 耗 低 以及 集 成 密度 高 的优
点。
３自旋霍 尔效 应
由于铁 磁金 属难 于发 展具 有 放大 功 能的 自旋 晶体 管 ，也难 于实 现 自旋 在 外加 电场下 ，材 料 中的 白旋 向上 的电子 和 自旋 向下 上的 电予 由于各 自形成 的磁 场 方 向相 反 ，会各 自在材 料 的相 反两 边形 成 自旋 积累 ，这 就是 自旋霍 尔效 应 （ｐ ｎａ ｌｆ ｅｔ 写为Ｓ Ｅ ｓ ｉｈ ｌｅｆｃ 简 Ｈ ）如 图１ 所示 。
制 造 自旋 电子器 件最 关键 的 问题 就是 在不 需要 强 磁场 和室 温情 况 下如
何 把 自旋 极化 电子 从磁 性 半 导体注 入 到非 磁 性半 导 体 内。 目前 自旋 电子的 注 入来 源 主要 有稀 磁 半导 体 、铁 磁半 导体 以及铁 磁 金属 ，采 用 的注 入 方法 主 要有 五种 ：欧姆 注入 法 ； 隧道 结注 入法 ，弹道 电子 自旋注 入 、热 电子注 入 ，此 外 用稀 磁 半导体 也 能 向非 磁半 导体 内注入 自旋极 化 电子 ，本 文 就介 绍 一下 以上 几种 方法 的最新 研 究。 由于半 导体 表面 是重 掺杂 ，导致 了 自旋 反转 的散 射和 自旋 极化 率 的下 降 。因 此 欧姆 注 入 法 这 种 方法 的 自旋 注 入 率 很低 。研 究 表 明 ： 到 目前 为 止 ，用 欧姆注 入法 最好 的报 道 为４５ 的 自旋极 化注 入效 率 ［］ ．％ ３ 。最近 ，有人 从 Ｎｓ ｍ 薄 膜 向外延 多层 膜 结构 ＩＡ形 成 的二 维 电子 气 中注 入 的 自旋 电子 ｉｉ ９ Ｆ ｎｓ 借 助紧邻 的Ｎｓ ｍ９ ｉＩ 电极被 探测 到 。在 ２ｋ Ｆ ０ 的温 度 下， ＩＡ 中 的 电子 的 自旋扩 ｎｓ
０ 葛 Ｉ
的偏振 度 ，来确 定 电子 的极化率 ［］ 究证 明 ，光学方 法最 大 的优点 就是能 ８研 避 免 其 它 电学 效 应 的 影 响 。 电学 检 测 方 法 又 分 隧 道 结 法 、 点接 触 发 、 Ｔ ｄｏ－ ｅ ｅｅ 实验法 、Ａ ｄｅ ｖ ｅｒｗ Ｍ ｓｒ ｙ ｎ ｒｅ 反射 法 ，但 是 电学法 采用 了与 被测材 料直 接 接 触 的结构 ，其界 面存 在较 严 重 的 自旋散 射 ，还存 在 电导 率 的不 匹配 问 题 ， 自旋 极 化 电 子 的驰 豫 以及 Ｈ ｌ效 应 的干 扰 的 都 是此 方法 的难 点 ，最 ａｌ 近 ，有 人通 过 对 伴随 自旋 流 的其 他物 理量 现象 的 测量 来探 测 自旋 流 ，比如 实 验 中在 室温 下 成功 通 过测 量 自旋流 对 Ｎ８Ｆ ｌ薄层 自旋 弛 豫 的调制 实现 ｉ １ｅ９ 了在不 需要材 料微 观参 数 的情况 下对 自旋 流 的测量 ［］ ９。
图 ｌ 自旋霍 尔效 应示 意 图
实验上 已经 观 察到 自旋 霍尔 效应 ，实 验上 通过 测量 自旋 积 累来探 测 自 旋 霍 尔效 应 ，除 了 自旋共 振 技术 ［Ｏ 外 ，常利 用 电光 效应 和磁 光 效应 ，例 １］ 如 法 拉第 效应 就 是一 种典 型 的磁 光效 应 ，通过 测 量法 拉第 角 即可 求 出样 品
