Тема 13. Спін-залежний траспорт носіїв заряду.

Спінові ефекти.

Оскільки спін – одна з основних фундаментальних характеристик електрону, то це приводить до нових властивостей транспорту носіїв заряду в наноструктурах. Спінові ефекти виникають, коли в матеріалі появляється спіновий дисбаланс заселеності рівня Фермі. Такий дисбаланс присутній у феромагнітних матеріалах, для яких вакантні стани для електронів з різними спінами відрізняється за енергіями. Енергетичним зсув приводить до заповнення дозволених зон електронами з одним визначеним спіном і появи в матеріалу власного магнітного моменту (намагнічення). Заселеність енергетичних зон електронами з різним спіном визначає як спінову поляризацію інжектованих з такого матеріалу електронів, так і особливості транспорту носіїв заряду через нього. Власну спінову поляризацію електронів в матеріалі ( ) визначають як різницю концентрацій електронів з різними спінами ( ) до їх загальної концентрації:

Найбільш яскравий прояв спінових ефектів можна очікувати в матеріалах з найбільшою спіновою поляризацією електронів (→100%) До таких матеріалів належать: Co (42%), Fe (46%), Ni (46%), пермалой ( , CoFe (47%), NiMnSb (58%), (90%).

Електричний струм в твердо тільних структурах, які складаються із матеріалів з різною спіновою поляризацією, залежить від спінової поляризації носіїв заряду та спінової поляризації областей, якими проходить транспорт носіїв.

Електрони, інжектовані з певним спіном, можуть заняти в колекторі тільки вакантні місця з такою ж орієнтацією спіну.

Електрон, початково спін-поляризований, по мірі руху в матеріалі може змінити як імпульс так і свій спін (внаслідок розсіяння на дефектах, фононах та ін.).

Довжина спінової релаксації – середня відстань, яку проходить електрон до зміни свого спіну (порядок 100 нм).

В спін-поляризованих матеріалах стан з переважаючим спіном контролюється намагніченістю цих матеріалів. Якщо намагніченість змінюється на протилежну, то переважаюча орієнтація спінів також міняється на протилежну.

У випадку інжекції спін-поляризованих електронів в спін-поляризований (намагнічений) матеріал, то в залежності від напрямків намагніченості матеріалу і орієнтації спінів інжектованих електронів, матеріал може вести себе як провідник (↑↑) або діелектрик (↑↓). Ця особливість транспорту носіїв заряду в низько вимірних структурах приводить до ефектів гігантського магнітоопору та тунельного магнітоопору, і є основною особливістю нового напрямку – спінтроніки. Для реалізації цих ефектів необхідно здійснити орієнтацію спінів. Здійснюється за допомогою оптичної орієнтації та спінової інжекції.

Оптична орієнтація здійснюється за допомогою поглинання напівпровідником світла з круговою поляризацією. Оскільки фотон має спін =1, якщо вектор обертається за годинниковою стрілкою, то -1 в протилежному випадку, то поглинання фотона і перехід електрона в зону провідності супроводжується зміною повного момента імпульсу на . За певних умов це може привести до відмінності концентрації електронів з різними напрямками спінів (залежить від напівпровідника, орбіта лей електронів, імовірностей переходів та енергії фотонів).

Спінова інжекція – здійснюється з феромагнетика, в якому існує спінова поляризація (переважаюча концентрація електронів з визначеним напрямом спіну) в немагнітний матеріал. При струмопереносі між феромагнітним і немагнітним матеріалами відбувається перенос спіну. В результаті в області немагнітного матеріалу біля границі з феромагнетиком утворюється надлишкова концентрація електронів з цим напрямом спіну. Такий нерівноважний стан релаксує. Однак час релаксації (ЧС) більший за час релаксації імпульсу. В результаті носії можуть переміститись на спінову дифузійну довжину, яка більша за звичайну дифузійну довжину (може досягати 1 мкм).

Спінова інжекція лежить в основі явища гігантського магнітоопору.

Магнітоопір – це відношення зміни опору під впливом магнітного поля до опору без поля ( ). Магнітоопір спостерігається в металах при низьких температурах в сильних магнітних полях. В 1988 р. відкрили в почергових шарах манометрових товщин феромагнітного і немагнітного матеріалу гігантський магнітоопір (до 100% і більше).

Розглянемо структуру з шарами феромагнітного матеріалу розділеного немагнітним матеріалом. Феромагнітні шари з протилежними намагніченнями можна отримати осадженням в магнітних полях, які мають протилежну орієнтацію. Товщини шарів – манометрового розміру. За відсутності магнітного поля опір структури при проходженні вздовж площини шарів буде найбільшим, коли намагніченість феромагнетиків буде протилежна.

При цьому електрон зі спіном, який відповідає намагніченості одного шару, не зможуть переміщуватись по матеріалу з протилежною намагніченістю, оскільки в ньому відсутні прийнятні для них енергетичні стани. Це призводить до відбивання електронів від межі таких шарів і струм протікає через звужені канали.

Мінімальний опір струму буде у випадку, коли магнітні моменти шарів орієнтовані в одному напрямку зі зовнішнім магнітним полем. Зменшення опору може досягнути декількох сотень процентів при низких температурах.

Найбільший ефект спостерігається у Fe-Cr і Co-Cu структурах та зі збільшені числа шарів при товщині шару декілька нанометрів.

Більший ефект гігантського магнітоопору спостерігається у структурах при проходженні струму через шари, перпендикулярно до поверхні.

У випадку, коли намагніченість двох феромагнетиків антинапрямлена, то спін-поляризовані носії з одного феромагнетика інжектують в намагнічений матеріал, але не можуть потрапити в антипаралельно намагнічений шар і розсіюються на границі розділу, викликаючи ріст опору.

Однакова намагніченість феромагнітних шарів не буде перешкоджати транспорту спін-поляризованих електронів і опір буде низький. Товщина шарів повинна бути меншою за дожину спінової релаксації (~10 нм). Ефект посилюэться в багатошарових структурах.

Спін-залежне тунелювання – тунелювання носіїа заряду між двома намагніченими феромагнетиками, розділених діелектриком. Прицес тунелювання буде залежити від спінової орієнтації носіїв заряду в електродах, та буде керуватися зовнішнім магнітним полем.

Аналітично, як і магнітоопір, тунелювання носіїв не буде відбуватись, якщо феромагнітні електроди будуть намагнічені антипаралельно. Імовірність тунелювання зростає у випадке однакової намагніченості електродів.

Величину тунельного струму і тунельного магнітоопору можна змінювати зовнішнім магнітним полем. При збільшенні напруженості магнітного поля настає момент, коли намагніченість одного з електродів змінюється на протилежну і з антипаралельної стає паралельною. Що зумовлює зростання тунельного струму. Щоб ефективно керувати намагніченістю лише одного електрода, його виготовляють з магніто-м'якого матеріалу. Тоді величина напруженості магнітного поля достатня для керування напрямком намагніченості цього електрода, не змінюючи намагніченість іншого.

Такий підхід використовується у пристроях на ефектах спін-заежного транспорту носіїв заряду.

Ефект Кондо

Згідно класичної теорії електричний опір металів зменшується при зниженні температури, оскільки електрони менше розсіюються тепловими коливанням кристалічної гратки – фононами. Для більшості чистих металів опір зменшується до певної залишкової величини. Деякі метали (свинець, ніобій) при зменшенні температури стають надпровідниками.

В металах з великою кількістю магнітних домішок (Fe, Co, Ni)та в квантових точках при дуже низьких (гелієвих) температурах опір збільшується. Це пов'язано з відмінним від нуля повним спіном всіх електонів і називається ефектом Кондо.

Спінтронні прилади – використовують ефект гігантського магнітоопору і спін-залежне тунелювання.

Магнітна головка для зчитування інформації (розроблена IBM (1997р) має розміри декілька десятків нанометрів) з поверхні з магнітними доменнами різної магнітної орієнтації. На границі доменів генерується магнітне поле, яке напрямлене або від поверхні (N), або до поверхні (S) носія інформації.

Головка "відчуває" міну напрямку поля за рахунок спін-залежного магнітоопору.

Один електрод з фіксованою намагніченістю, інший з легкгзмінною намагніченістю (магніто-м'який матеріал). За рахунок рахунок зміни магнітоопору буде змінюватись струм через структуру при проходженні через границю доменів. Такі головки дозволили збільшити густину запису інформації до 25 Гбіт на 1 дюйм² .

Спінтронний транзистор – подібний до звичайного транзистора, одна база – металева з багатошаровою структурою магнітного і немагнітного матеріалів.

На границі розділу між базою, емітером та колектором існують бар'єри Шоткі, які визначають енергію електронів, здатних пройти через структуру (енергія електронів повинна бути більшою за висоту бар'єру). Струм колектора буде залежити від розсіяння електронів в базі, яка буде спін-залежною та буде керуватися зовнішнім магнітним полем.