носимого электронами заряда и обнаруживает себя в явлении, которое из- вестно как эффект одноэлектронного туннелирования. Другая особенность определяется дискретностью энергетических состояний в полупроводнико- вой наноструктуре, связанной с эффектом квантового ограничения. Туннель- ный перенос носителей заряда через барьер с дискретного уровня в эмитти- рующей области на энергетически эквивалентный ему уровень в коллектор- ной области происходит с сохранением энергии и момента электрона. Такое совпадение уровней приводит к резонансному возрастанию туннельного то- ка, известному как эффект резонансного туннелирования. Оба этих эффекта находят широкое применение в наноэлектронных приборах.

1.3.4. Спиновые эффекты

Спин, будучи одной из фундаментальных характеристик электрона, привно- сит свои особенности в перенос носителей заряда через наноструктуры. Осо- быми проявлениями транспорта носителей заряда в наноструктурах, кон- тролируемого спином электронов, являются гигантское магнитосопротивле- ние и туннельное магнитосопротивление. Они образуют основу нового на-

правления в науке и технике - спинтроники.

Спиновые эффекты в мате- риале обусловлены спиновым дисбалансом в заселенности уровня Ферми, который обычно присутствует в ферромагнит- ных материалах, у которых плотности вакантных состояний для электронов с различными спинами практически идентич- ны, в то время как состояния с различными спинами сущест- венно различаются по энергии, как это схематически показано на рис. 1.8. Такой энергетиче- ский сдвиг приводит к заполне-

нию энергетических зон электронами с одним определенным спином и соот- ветствующему появлению собственного магнитного момента (намагниченно-

ВД ME)

пот magnetic ferromagnetic

material material

Рис. 1.8. Плотности состояний электронов с различными спинами в ферромагнитном и немагнитном материале и обмен электронами между ними [2]

сти) материала. Заселенность энергетических зон электронами с одним спи­ном определяет как спиновую поляризацию инжектируемых из такого мате­риала электронов, так и особенности транспорта носителей заряда через него. Собственную спиновую поляризацию электронов в материале (Р) опре­деляют как отношение разности в концентрациях электронов с различными спинами (n1 и n2) к их общей концентрации:	(1.22)
Щ

Наиболее яркое проявление спиновых эффектов резонно ожидать в ма- териалах с наибольшей спиновой поляризацией электронов. Это стимулирует поиск материалов со 100%-й спиновой поляризацией. Это должны быть ма- териалы, у которых только один спиновой уровень занят вблизи уровня Фер- ми. На практике же пока используются материалы с частичной спиновой по- ляризацией. Это металлы и их сплавы, оксиды, магнитные полупроводники.

Электронный ток в твердотельных структурах, составленных из мате- риалов с различной спиновой поляризацией, зависит от спиновой поляриза- ции носителей заряда и спиновой поляризации областей, через которые эти носители движутся. Электроны, инжектированные с определенным спином, могут занять в коллекторе только вакантные места с такой же спиновой ори- ентацией. Электрон, первоначально спин-поляризованный в инжектирующем электроде, по мере движения изменяет свой момент в процессах рассеяния и неизбежно изменяет и свой спин. Для практических применений важно знать, как долго электрон «помнит» свою спиновую ориентацию. В качестве харак- теристики "спиновой памяти" используют среднее расстояние, проходимое электроном до изменения своего спина, которое называют длиной спиновой релаксации (l_s), В твердых телах ее величина превышает 100 нм и определя- ется спин-независимым средним свободным пробегом электронов, в качестве

которого рассматривается средняя длина свободного пробега при неупругом

1/2

рассеянии l_in. Тогда l_s = (/mVpT^) , где v_F - скорость Ферми, т^ - время релак- сации спина. Длина спиновой релаксации определяется главным образом процессами спин-орбитального и обменного рассеяния. При идентичном со- ставе материала в кристаллах она больше, чем в аморфной фазе.

В спин-поляризованных материалах состояния с преобладающим спи- ном контролируются их намагниченностью. Если намагниченность изменя- ется на противоположную, преобладающая ориентация спинов также меняет- ся на противоположную. При инжекции спин-поляризованных электронов в