Зонная структура сплавов Гейслера

Рис.13.11. Зонная структура NiMnSb для (a) направление большинства и (b) направление меньшинства спинов [40].

Принципиальный прорыв в исследовании магнитных свойств гейслеровских сплавов был сделан в работе де Грота [40], в которой было обнаружено, что уровень Ферми в NiMnSb располагается в энергетической щели между валентной зоной и зоной проводимости для электронов с одной поляризацией спина и пресекает эти зоны для электронов с противоположной ориентацией спинов, рис. 13.11. Этот результат привел к систематизации соединений С1b, некоторые из которых образуют новый класс материалов - ферромагнитные полуметаллы. Как обсужделось выше - члены этого нового класса материалов проявляют свойства металлов (большая часть электронов) и свойства полупроводников (меньшая часть электронов), в зависимости от ориентации спинов. Как следствие, мы имеем здесь поразительную ситуацию, что электронная проводимость на уровне Ферми имеет 100% поляризацию. Это свойство может иметь место для некоторых электронов проводимости в ферромагнетиках, например для d- электронов Ni или для электронов V в VPd3. Но в гейслеровских материалах в необычно высокую поляризацию вовлечены все электроны проводимости.

Таким образом, схематично полуметаллы можно характеризовать как необычные ферромагнетики, которые имеют электроны на уровне Ферми в односпиновом состоянии, либо вверх ↑, либо вниз ↓. Они являются, в принципе нормальными металлами, но электроны с противоположным спином имеют щель в их плотности состояний на уровне Ферми N(E_F), поэтому они не дают вклада в проводимость. Поэтому носители имеют степень поляризации Р = 100%.

Инжекция и транспорт спина в полупроводниковых устройствах спинтроники

Традиционные подходы в микро(нано)электронике могут исчерпать себя к 2010 году [41]. Полупроводниковые гетероструктуры, которые используют спин как новую степень свободы, предлагают принципиально новые возможности и улучшают функциональные свойства традиционных устройств. Ключевыми факторами, определяющимим функционирование полупроводниковых устройств спинтроники, наряду со степенью поляризации, являются эфективность инжекции и транспорта спин-поляризованных носителей.

Эффективность спиновой инжекции можно повысить, используя барьеры Шоттки (электростатические барьеры, формируемые на границе металл/полупроводник из-за образования дефектов), которые могут действовать как туннельные барьеры, ослабляя влияние различия электрохимических потенциалов ферромагнитного металла и полупроводника на спин-поляризованный транспорт через границу. Это позволило достичь двухпроцентной эффективности спиновой инжекции в светодиод GaAs/(In,Ga)As из Fe-контакта при комнатной температуре. Для действенного решения проблемы необходимо, чтобы инжектором был ферромагнитный полупроводник или полупроводник, находящийся во внешнем магнитном поле. Тогда спиновая поляризация электронов может достигать практически 100% из-за обменного взаимодействия электронов проводимости с магнитной примесью. Поэтому наиболее перспективными для использования в качестве спиновых инжекторов представляются ферромагнитные полупроводники с высокими температурами Кюри, технологически совместимые со стандартными полупроводниками, полуметаллические ферромагнитные оксиды.

Одно из наиболее ранних предложений полупроводниковой спинтроники – спин-поляризованный полевой транзистор (spin FET) [42]. В нем контакты истока и стока – ферромагнитные, предназначенные для инжекции и детектирования спин-поляризованных электронов, транспортируемых в канале с высокой подвижностью. Проводимость в FET должна зависеть от ориентации спинов в канале, которая контролировалась бы намагниченностью затвора относительно намагниченности контакта стока, реализуя основанный на спине способ управления. Если намагниченности источника и стока контролируются независимо, используя методы, развитые для магнитной памяти, такое устройство неразрушаемым и программируемым образом оперировало бы со спином намагниченности как в виртуальном четырехконтактном приборе. Это предложение и другие концепции, включая спин-зависимые резонансные туннельные диоды (spin-RTDs) [43-48], стробированные спин-когерентные приборы [49,50], спин-поляризованные световые диоды (spin-LEDs) [51], и туннельные магниторезистивные устройства [52], стимулировали огромный интерес в этой быстро развивающейся области.

Уже упоминалось, что время жизни определенного состояния спина в пределах транспорта по прибору или диффузионная длина должны быть адекватными. В настоящее время уже получены длины диффузии спинового состояния в несколько микрон [53,54] и времена жизни >100 нс [55,56], например, в оптически накачанном GaAs. Продемонстрирован ряд успешных методов манипуляции [46,49,50] и детектирования [44,51,53,57-59] состояния спиновой системы. Однако, проблема эффективной и практически приемлемой инжекции примесей остается.

Схема спин-светового диода (spin-LED) показана на рис.13.11 [51]. Спин-поляризованные носители инжектируются из контакта, радиационно объединенного с полупроводником, в данном случае с квантовой ямой AlGaAs/GaAs(001). Если носители сохраняют свою спиновую поляризацию, испускаемый свет будет иметь циркулярную поляризацию. Квантовые правила отбора, описывающие радиационную рекомбинацию устанавливают прямую фундаментальную связь между циркулярной поляризацией света, испускаемого вдоль нормали к поверхности, P_circ, и спин-поляризацией электронов, P_spin [60,61]. Для QW-GaAs, P_spin = P_circ, в то время как для объемного GaAs, P_spin = 2P_circ. Таким образом, спин-диод позволяет количественно и модельно независимо анализировать поляризацию с

Рис.13.12. (а) Схема спин-светового прибора. EL – электролюминесценция, QW – квантова яма, (b) фотография спин-светового диода. Активная часть составляет в диаметре 400, 300 и 200 мкм.

пина носителей в полупроводнике, инжектированных из любого контакта или интерфейса.

Практическое использование спин-диодов: интегрированные химические сенсоры, или передача информации с помощью спин-кодов.