1、磁隧道结；半导体自旋电子学。The research of Spintronic and Information technology revolutionAbstract: spintronic mainly research of electronic spin on the role of the solid physics, which is a cross discipline of magnetism and microelectronic. The study included the electron spin polarization, spin relaxation rel
2、ated scattering, properties and applications. Spintronic devices which are based on the electronic spin can greatly improve the information processing speed, storage density, nonvolatile, and low energy consumption, etc. This thesis introduced the concept of spintronic and its research content, summ
3、arizes the present study of spintronics and its application progress.Key words: Spintronic; magnetic; Spin valve.0 前言我们知道，用于数据处理的集成电路利用的是电子的荷电性，而数据存储和读取利用的则是磁性材料中电子的自旋。以电荷（包括电子和空穴）输运特性为主要内容的微电子学是20世纪人类最重要的发现之一。在传统的微电子学中，电子的输运过程仅利用它的荷电性由电场来控制，而不考虑其自旋状态。随着纳米科学技术的发展，科学家发现当半导体组件减小到纳米尺寸后，许多宏观特性将丧失，电子自旋的作
4、用将凸显出来。自旋电子学或磁电子学正是在这样的背景下产生的。所谓自旋电子学，是一门以研究电子的自旋极化输运特性及基于这些特性而设计、开发新电子器件为主要内容的一门交叉学科，其研究对象包括电子的自旋极化、自旋相关散射、自旋弛豫以及与此相关的性质及其应用等。1988年巴西学者Baibich在-Fe/Cr周期性多层膜中观察到，当施加外磁场时，其电阻变化率高达50的巨磁电阻（Giant Magnetoresistance，GMR），这是自旋电子学发展的一个里程碑。巨磁电阻的发现引发了与电子自旋有关的诸多研究工作，半导体自旋电子学就是其中的热门研究领域之一。半导体自旋电子学主要包括两个分支领域2：一是半
5、导体磁电子学，它是将磁性功能结合进半导体中，如磁性半导体或半导体与磁性材料的复合体。这一领域将直接导致半导体器件如光绝缘体、磁传感器、非挥发性存储的实现。如果磁性或自旋能被光或电场所控制，就可能创造出前所未有的全新器件。另一个领域就是半导体量子gt旋电子学，它主要是指自旋的量子力学特性在半导体中的应用。例如，非磁性半导体中的自旋比电子的极化有更长的相干时间，通过光或电场来操纵自旋就更容易了，由此导致了固态量子信息处理器件的出现。从自旋极化的起源来看，半导体中的自旋极化涉及到载流子自旋、磁性原子掺杂引入的自旋、半导体组成元素中原子的核自旋等。就涉及的材料而言，如磁性半导体、磁性半导体复合结构、非
6、磁性半导体量子阱和纳米结构中的自旋现象以及半导体的自旋注入等，均属于半导体自旋电子学研究的内容。下面我们就半导体自旋电子学的研究进展作一个简单的评述。1 自旋电子学的发展历程磁学是一门既古老又在不断发展的物理学分支。早在4000年前古人已经知道并利用磁的特性，但是直至今日在磁学领域，各种不为人所知的新现象还不断地呈现在人们的面前；磁的基本现象为大众所熟知，已经成为常识，但是其物理机理却扎根于深奥的量子力学之中。磁材料广泛地用于人类工作生活的各个领域，但是，深究其基本特性，甚至包括像铁这种最常用的磁性材料，我们至今还没有完全清楚。对于铁磁金属的输运性质，也不是近些年才开展的。事实上，铁磁金属中电
7、子的输运性质，早在两个世纪前就开始研究了。1857年 Thomoson发现了在多晶结构的Fe中，具有各向异性磁电阻效应（anisottopy magnetoresistance, AMR）。而传统的微电子学的研究对象是普通金属和半导体，所以在研究电子的输运过程中，往往忽略电子的自旋。20世纪50年代人们在研究超导体时，将电子的自旋引入，认为参与超导输运的准粒子是费米面附近两个自旋相反，动量也相反的电子所组成的库伯对，建立了著名的BCS理论。但是BCS理论虽然将电子的自旋自由度引入到输运过程中，但是库伯对中，电子是成对出现的，并没有去严格区分两种不同自旋电子在输运中的差别。真正开始对自旋电子的输
8、运进行深入研究，是在20世纪80年代。1986年，德国的Grumberg等人在研究Fe/Cr/Fe薄膜中自旋波的光散射时，发现随着Cr的厚度改变，Fe/Cr/Fe中的两个Fe曾存在反铁磁耦合。随后在法国工作的Baibich等人用分子束外延的方法制备了Fe/Cr多层膜并研究其电阻特性。当Cr的厚度为0.9nm时，他们发现在T=4.2K温度下，薄膜的电阻值随外加磁场的增加而减小，当外磁场大于2T后，其电阻值几乎只有原谅未加磁场时的一半。这种磁电阻效应可以用自旋相关散射和双电流模型来解释。考虑到两个不同自旋取向的电子在双电流模型来解释。考虑到两个不同自旋取向的电子在界面处所受到的散射是不同的，假设当
9、自旋取向与铁磁层的磁化方向相同时，电子所受到的散射较小，而另一种自旋取向的电子所受到的散射较大。那么，在Fe/Cr多层膜中，当存在反铁磁耦合时，相邻Fe层的磁化方向是反平行的，这样两个自旋取向的电子所受到的散射都较大，所以系统处于高电阻状态。当外磁场较大时，所有Fe层的磁化方向将转到外场的方向，这时有一种自旋取向的电子所受到的散射很小，而另一种电子所受到的散射很大，系统总的电阻可以看成这两种电子电阻的并联，因而系统处于低电阻状态。由于Fe/Cr多层膜中的这种磁电阻效应很大，比一般的铁磁金属的各向异性磁电阻大1个数量级，所以人们把这种效应叫做巨磁电阻效应（giant magnetoresista
10、nce,GMR）。巨磁电阻效应的发现，是自旋电子学发展史上的里程碑。由于巨磁电阻效应具有很大的应用前景，全世界相关各大学、研究所以及各大公司的研究机构都陆续地投入到GMR的研究中，使之成为近十几年来凝聚态物理的研究热点之一。进一步的研究表明，巨磁电阻效应不是Fe/Cr多层膜所特有的，很多磁性金属/非磁金属组成的多层膜系统中都具有GMR效应。GMR效应也不是一定要用分子束外延的方法才能获得，磁控溅射等普通的制备方法也可以获得GMR效应，而且由于用溅射法制备的薄膜界面具有一定的粗糙度，自旋相关散射更明显，所以磁电阻效应甚至更大一些。在众多研究工作中，以IBM的Parkin的工作最为引人注目。Par
11、kin等人用简单的磁控溅射的方法制备了磁性多层膜，系统地研究了Co/Cu多层膜的性质,他发现随着Cu层厚度的变化，相邻Co层具有在铁磁耦合和反铁磁耦合之间振荡的特点，与之相应，系统的磁电阻也随着Cu层厚度的变化而振荡。在室温下，一般Co/Cu多层膜第一峰的磁电阻高达65%以上。大的磁电阻效应，也不是仅存在于具有反铁磁耦合的磁性多层膜中，人们在弱耦合的自旋阀结构（spin valve）、磁性颗粒膜（granular film）、磁性隧道结（magnetic tunnel junction,MTJ）、具有钙钛矿结构的稀土氧化物中，都发现了很大的磁电阻效应，有的磁电阻甚至高达106%以上。当今的自旋
12、电子学，比起1995年提出的磁电子学，又增加了许多新的内容和挑战，如电子自旋的弛豫时间，纳米尺度结构中自旋相干的检测，自旋计划载体在相当长度内以及在异质结构的截面的输运问题，如何操纵原子核自旋的问题，所以现在的自旋电子学，是集磁学、半导体、光学、电子学、量子计算等学科于一体，将物理基础、材料研究和世纪应用紧密结合起来的一门全新的学科。下面就具体介绍一下自旋电子的发展历程。1.1 GMR自旋阀GMR自旋阀从基础研究到器件应用只花了短短几年的时间。在过去的10年内，已开发出一系列高灵敏度的GMR磁电子器件，其应用已发展到计算机磁头、磁随即存贮器、巨磁电阻传感器等许多领域利用GMR自旋阀材料研制的新
13、一代硬盘读出磁头，已经把存储密度提高了好几个数量级（1988年仅为，2003年就已经达到），磁记录存储密度已超过了所有的存储方式。目前GMR磁头已占据了磁头市场90%95%的份额。利用GMR效应开发的磁性随即存贮器（MRAM），由于0和1状态的设置原理来源于磁性材料特有的磁滞效应，因此在突然断电时也不会丢失信息。由于GMR效应可以进一步减小每位体积而不影响读出灵敏度，因而可以进一步提高存贮密度和实现快速存取。2002年，摩托罗拉公司宣布已研制出1Mb的集成磁性随机存贮器。由于GMR磁性随即存贮器具有抗辐射、抗干扰、功耗低、使用寿命长、成本低等优点，因而可应用于计算机芯片、蜂窝电话、传真机、录像
14、机、数码相机、大容量存贮器、军事、航空和航天技术等方面有着广泛的应用前景。利用GMR自旋阀结构做成各种高敏感度的磁传感器，可以对微弱磁场信号进行传感。由于这种磁传感器体积小，可靠性高，响应范围宽，因而可应用于开关电源，医用及生物磁场传感器、家用电器、商标识别、卫星定位、导航及高速公路的车辆监控系统等方面，另外，在精密测量技术等发明的应用前景也十分广阔。1988年GMR效应在Fe/Cr金属多层膜中的发现引起了各国科学家的注意，人们从理论和实验上对多层膜GMR效应展开了广泛而深入的研究。为了使GMR材料的饱和磁场（Hs）降低，人们除了采用降低耦合强度及选用优质软磁作为铁磁层等途径外，还提出了非耦合
15、型夹层结构。1911年，B.Dieny利用反铁磁层交换耦合，提出了自旋阀结构，并首先在（NiFe/Cu/Nife/FeMn）自旋阀中发现了一种低饱和场巨磁电阻效应。图1是自旋阀的结构示意图及其在外磁场作用下的磁滞回线和磁电阻变化曲线图。自旋阀的基本结构为F1/N/F2/AF。两个铁磁层F1和F2被较厚的非铁磁层N隔开，因而使F1与F2间几乎没有交换耦合。F1称为自由层，F2成为被钉层，其磁矩MS被相邻反铁磁层AF的交换耦合引起的单向各向异性偏场所钉扎。当F1为优质软磁材料时，其MS可以在很弱的磁场作用下相对于F2改变方向，从而获得获得较大的GMR。这种非耦合型自旋阀具有如下有点：1）磁电阻变化
16、率R/R对外磁场的响应呈线性关系，频率特性好；2）饱和场低，灵敏度高。虽然自旋阀结构的磁电阻变化率不高，通常只有百分之几，但较低的饱和场可以使磁场灵敏度高达以上；3）自旋阀结构中铁磁矩的一致转动，能够有效地克服巴克豪森效应，从而使信噪比大大提高。图1自旋阀磁电阻随铁磁层厚度的增加，在410nm之间有最大值出现，对于一般的磁性金属超晶格，GMR最大值所对应的典型厚度为13nm。通常认为这是体散射作用的结果。由于两铁磁层间几乎没有交换耦合，故自旋阀电阻随着非磁层厚度的增大只是指数性减小。出现这一现象的原因可以定性地归结为两方面：一是穿过空间层的传导电子所遭受的散射增强，从一个F层穿过空间层到达另一
17、F层的电子数减少，从而导致自旋阀效应降低；二是空间层的分流作用随非磁层厚度的增大而增强。Dieny等人还观察到自旋阀磁电阻与两铁磁层磁矩夹角的余弦呈线性关系。对于自旋阀磁电阻的这些典型特征，还可以利用半经典理论给出较好的定量解释。与超晶格GMR一样，自旋阀磁电阻的来源仍然归于磁性层/非磁性层界面处的自旋相关电子散射。自旋阀中出现GMR效应必须满足这样的条件：传导电子在铁磁层中或在铁磁/非铁磁界面上的散射概率必须是自旋相关的；传导电子可以来回穿过两铁磁层，并能记住自己的自旋取向，即自旋平均自由程大于隔离层厚度。但是由于实际自旋阀中磁性或非磁性层的厚度较大，使得自旋阀中各层内部的结构缺陷、结晶性等
18、对于自旋阀的磁电阻大小、交换偏移场都会有明显影响。1.2 磁隧道结（TMJ）磁隧道结通常是指由两层磁性金属（FM）和它们所夹的一层氧化物绝缘层（I）所组成的三明治结构（FM/I/FM），图2为隧道结的结构示意图。通过绝缘层势垒的隧穿电子是自旋极化的，可以产生极大的磁电阻效应（TMR）。FM/I/FM隧图2道结最初是由Slonczewski于1975年提出来的。Julliere认为，在隧道结中，如果两铁磁极化的磁化方向平行，则一个电极中费米能级处的多数自旋态电子将进入另一个电极中的多数自旋态的空态，同时少数自旋态电子也从一个电极进入另一个电极的少数自旋态的空态，即磁化平行时，两个铁磁电极材料的能
19、带中多数电子自旋相同，费米面附近可填充态之间具有最大匹配程度，因而具有最大隧道电流。如果两电极的磁化反平行，则一个电极中费米能级处的多数自旋态的自旋角动量方向与另一个电极费米能级处的少数自旋态的自旋角动量平行，隧道电导过程中一个电极中费米能级处占据多数自旋态的电子必须在另一个电极中寻找少数自旋态的空态，因而其隧道电流变为最小。通常，TMR可以表示为： （1.2.1）式中和表示磁化反平行和平行时的磁电阻，P1和P2为两个铁磁电极的自旋极化率。可以看出，只有P1和P2均不为零才能在磁隧道结中观察到磁电阻效应；两个磁电极的自旋极化率越大，TMR值就越高。Fe、Co、Ni的自旋极化度分别为40%，34
20、%和11%，由Julliere模型可得Fe/I/Co的TMR应为24%，但一直到1994年实验上观察到的TMR的结果都不理想（低温下的TMR均小于7%，室温下更低）。对这些TMR实验结果的解释直到1989年才由Slonczewski较好地完成，他将隧穿过程看成是类自由电子铁磁体产生的电荷流和自旋流在方形势垒中透射过程，计算发现，在铁磁体和绝缘体的界面处因绝缘体势垒的有限高度而强烈影响隧穿电子的自旋方向。这表明，要得到大的TMR值，除了构成磁隧道结的两个铁磁电极中的磁化可以在外磁场作用下任意改变方向以及磁电极的自旋极化率尽可能大外，还要求中间氧化层势垒必须足够高。1995年，Miyazaki和他
21、的同事们发现Fe/Al2O3/F3磁隧道结在室温下TMR高达18%，低温下TMR为23%。同年，Moodera等人制备出了CoFe/Al2O3/Co平面型隧道结，在室温和低温时观察到TMR分别为11.8%和24%。低温实验数据与Julliere的理论模型符合得非常好。目前在理解隧穿自旋极化方面还存在一定的分歧，争论的焦点是金属-氧化物界面对自旋极化的影响。对于Co、Ni等铁磁金属，由于多数自旋电子所处的d带位于费米能级之下，理论预期其自旋极化应该是负的。然而F/ALO/Al隧道结的实验研究发现，在所以的铁磁金属和合金中均存在正的极化现象，与能带理论的预期结果截然相反。F1/I/F2隧道结的研究
22、结果表明，电子隧穿通过Co或NiFe（镍铁合金）的自旋极化也可以是负的。目前还没有一个较好的理论能够解释为什么Co在含有d带位于费米能级之下，理论预期其自旋极化应该是负的。然而F/AlO/Al隧道结的实验研究发现，在所有铁磁金属和合金中均存在正的极化现象，与能带理论的预期结果截然相反。目前还没有一个较好的理论能够解释为什么Co在含有d电子元素的氧化物（STO，CLO，TaO）中出现负极化，而在只有s、p电子的氧化物（ALO）中出现正极化的现象。除了前面提到的TMR与磁电极的自旋极化率的关系外，磁隧道结还具有如下基本特征：1） 磁隧道结的电导（G）与两磁电极磁矩夹角（）的变化满足如下关系： （1
23、.2.2）这里为平均表面电导，表示两个铁磁电极-氧化层势垒结构的有效自旋极化率。2） 在低结电压下，隧道电流随电压的变化是一个线性关系；在高结电压下隧道电流随电压的变化比线性变化快。3） TMR随结电压的升高而降低；低温下的TMR显著增大。恒定电压下电流随温度的变化可用Stratton理论来描述： （1.2.3）这里I（T）和I（0）分别表示温度为T和0时的隧道电流，k为玻尔兹曼常量，c 是一个与势垒厚度和高度有关的常数。4） 磁隧道结的两磁电极之间的耦合场很小，比具有相同铁磁层厚度F/N/F三明治结构的耦合场要低一个数量级。磁隧道结的TMR在室温下一般为15%40%，与GMR自旋阀结构相比较
24、，它还具有低功率损耗、低饱和场（相对高的场灵敏度）等特点，因此在磁记录随机存储器和读头上有很大的应用前景。尽管这样，磁隧道结要进入实际应用还需要克服许多困难，例如，如何制作小面积和高TMR的磁隧道结，如何进一步提高磁隧道结的信噪比，如何改善其热稳定性，如何提高TMR对结电压的耐受性等。这些都有待于作更深入的研究。2 半导体自旋电子学随着科学的发展，半导体中各种自旋极化，如载流子自旋、磁性原子掺杂引入的自旋、半导体组成元素中原子的核自旋等已引起了科学家们广泛的重视。已有结果表明，一些新的功能能够通过自旋注入、自旋输运和控制自旋态来实现。这些涉及到半导体材料的自旋研究工作自然就导致了半导体自旋电子
25、学的出现。半导体自旋电子学主要包括两个领域：另一个领域就是半导体量子自旋电子学，它主要是指自旋的量子力学特性在半导体中的应用例如，非磁性半导体中的自旋比电子的极化有更长的相干时间，通过光或电场来操纵自旋就更容易了。磁性半导体材料主要研究的是稀释性半导体（DMS），稀磁半导体（Diluted magnetic semiconductors, DMS）是指非磁性半导体中的部分原子被过渡金属元素（transition metals, TM）取代后形成的磁性半导体，因兼具有半导体和磁性的性质，即在一种材料中同时应用电子电荷和自旋两种自由度。20世纪80年代，DMS的研究主要集中（Cd, Mn）Te和（
26、Zn, Mn）Se等II-VI族半导体上。在II-VI族半导体中，II族原子可以被等价的磁性过渡金属原子所替代而使半导体中富含大量磁性原子，并可进一步制备出量子结构。然而，通过掺杂很难控制II-VI电导，这是II-VI族半导体作为自旋电子材料应用的主要障碍。随后人们开始关注III-V族半导体的磁性研究，但是磁性杂质在III-V族半导体中的溶解度很低，在普通的晶体生长条件下不可能掺杂进大量的磁性原子。1989年，Munekata利用低温分子束外延实现了非平衡晶体生长，成功地在GaAs衬底上外延生长了（In, Mn）As合金，并在P型（In, Mn）As中观察到了铁磁性。1996年，GaAs基的D
27、MS生长成功并在P型（Ga, Mn）As中观察到了铁磁转变，其最高铁磁转变温度（Tc）目前为110 K。由于（Ga, Mn）As能够外延生长在GaAs衬底上，与GaAs/（Al, Ga）As量子结构完全兼容，因此，（Ga, Mn）As已成为半导体自旋电子学研究的重要材料。要使Tc（最高铁磁转变温度）升高到室温以上，根据平均场理论，首先应当增加磁原子密度（x）和空穴密度（P），同时应满足XP。例如在（Ga, Mn）As中，若，要使Tc高于室温，则X需增大到0.15。假定磁原子密度能够达到这样的数值而空穴密度又类似于（Ga, Mn）As，那么高Tc就只能期望在宽带半导体如GaN或ZnO中存在，因为
28、轻元素和小的晶格常量只能导致较小的自旋-轨道相互作用。最近有Tc高于室温材料的报道，如的Tc =320 K，（Zn,Co）O的Tc为280290 K，CrAs和CrSb的Tc400 K，掺Mn的GaN基的DMS的Tc高达940 K。在过去10年中，对非磁性半导体结构中自旋性质的理解和操纵也取得了很大进展。工作主要涉及到量子结构中的自旋弛豫、半导体自旋注入、量子点的自旋相关输运、自旋相干、载流子自旋和核自旋相互作用。多数载流子的自旋弛豫包括自旋-轨道相互作用（Dyakonov-perel效应）和带混合（Elliott-Yafet效应）以及电子.空穴交换相互作用（Bir-Aronov-Pikus效
29、应）10。一般来说，自旋弛豫不仅取决于材料的性质，如自旋-轨道耦合、本征带隙，还依赖于有关参数，如维度、温度、动能、散射时间和掺杂等。在量子结构中，光和重空穴的简并度升高了电子-重空穴激子的共振激发，能够实现载流子100%的自旋极化。半导体自旋注入是自旋电子学发展中的一个关键所在。由于磁性半导体一般是外延生长在半导体衬底上的，其电导率与非磁性半导体相当，用作自旋极化器和自旋分析器上可望得到高效率的自旋注入和较大的磁电阻。自旋注入在使用了磁性半导体的p-n结中已得到证实，目前最大的挑战是如何将一束高度自旋极化流从铁磁金属有效地注入到半导体中。量子点中电子的输运表现为库仑阻塞效应，因此通过阀电压可
30、以控制电子（奇或偶）的占据态，有望实现一些有用的功能，如自旋过滤、自旋存储等。此外，在很多半导体量子阱结构中发现，电子自旋相干周期至少可以达到几ns，这进一步增加了非磁性半导体结构在自旋存储和核自旋操纵上应用的可能性。前面介绍了如何通过材料本身来控制和操纵自旋，而在实际应用中，往往需要用光或电场来操纵自旋。例如，波长为0.98的光可以作为Er掺杂光纤放大器的激发光源，但是，这个波段能被铁吸收。基于II-VI族的DMS的半导体光学绝缘体具有低吸收和大的法拉第旋转的特点。利用了（Cd,Mn,Hg）（Te,Se）的半导体光学绝缘体在波长为0.98处其Verdets常数已达到，这是第一个商业上可用的半导体自旋器件当终端用户的网络带宽达到Gb/s时，有必要将激光和绝缘体集成到同一半导体中制造高性能、低损耗的器件。研究表明，基于III-V族的化合物，如（Ga,Mn）As，（In,Mn）As，以及它们的混晶结构磁性半导体能够与GaAs和InP基半导体激光器集成在一起，得到较大的Verdets常数（与II-VI族DMS的量级相当）。当一个半导体量子阱在外部光作用下产生极化时，利用右和左圆周极化光的吸收变化，可以制成响应速度很快的光控开光。通过光学上提取左右圆周极化光的区别，将能实现超快光开关。在磁性半导体（In,Mn）As/
