WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 5 Спин-поляризованный транспорт и субмиллиметровая спектроскопия твердого тела © А.С. Борухович, Н.А. Виглин, В.В. Осипов Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук, 620219 Екатеринбург, Россия Институт физики металлов Уральского отделения Российской академии наук, 620219 Екатеринбург, Россия (Поступила в Редакцию 11 апреля 2001 г.

В окончательной редакции 16 августа 2001 г.) Обсуждается проблема спинового транспорта (пространственного переноса и локализации спина носителя тока) в реализации новых физических принципов работы устройств микроэлектроники. В частности, приводятся экспериментальные данные, подтверждающие возможность создания высокочастотных твердотельных устройств для миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов, а также базовых элементов структур спиновой информатики на основе контактов ферромагнитный полупроводник–полупроводник, выходные параметры которых способны регулироваться как транспортным током, так и внешним магнитным полем.

Работа была выполнена в рамках Программы РАН „Квантовая макрофизика“, а также проекта № 26 подпрограммы „Актуальные направления в физике конденсированных сред“ Федеральной целевой научнотехнической программы „Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения“ (№ 107-26(00)-П-Д01, договор № 2.4) и поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (проект Р-2001-Урал № 01-02-96429).

В начале 2000 г. журнал Physics World опубликовал спинтронных структур с помощью внешнего магнитного список десяти наиболее актуальных и перспективных поля, что не всегда допустимо для гетероструктур направлений исследований в физике, активно развивав- на базе обычных (немагнитных) полупроводников и шихся в предыдущие годы. Среди них — направление устройств на их основе, способствует расширению функисследований в физике твердого тела и физике полу- циональных возможностей существующих и разрабатыпроводников, связанное с переносом спина электрона ваемых устройств микроэлектроники [4]. На этом пути (спиновый транспорт) из магнитоактивного (ферромаг- возможно практическое создание и освоение указанных нитного) материала в парамагнетик. Прикладное направ- диапазонов спектроскопии твердого тела, а также соление этих исследований в микроэлектронике получило здание твердотельного лазера в данном диапазоне длин название „спиновой электроники“ или „спинтроники“ волн, что также пока недоступно для существующих (spintronics). Их значимость в современной науке и гетероструктур, выполненных на базе немагнитных потехнике связывается, с одной стороны, с разработкой лупроводников. Обсуждению последней возможности, и созданием квантовых одноэлектронных логических пока весьма слабо представленной в литературе, поструктур и спин-информационных систем для инфор- священа данная работа, в основе которой лежат как матики (спиновой информатики), в которой информа- ранее опубликованные, так и новые экспериментальные ционной ячейкой памяти служит спин электрона: один данные, полученные авторами.

спин — один бит информации [1]. В этом случае, виСледует заметить, что бинарные структуры переходов димо, достигаются предельные возможности магнитной М/Ф или П/Ф (М — нормальный металл, Ф — феррозаписи информации.

магнетик, П — немагнитный полупроводник) сами по С другой стороны, осуществление спинового токопе- себе позволяют реализовать создание магнитоуправляреноса открывает новые возможности в твердотельной емого стабилитрона, пробойное обратное напряжение электронике. Такие, например, как наблюдение спин- которого способно регулироваться внешним магнитным поляризованной люминесценции и создание высокоча- полем. Детальное исследование механизмов спинового стотного диода, выходные характеристики которого спо- транспорта наряду с рассмотрением таких фундаменсобны регулироваться внешним магнитным полем [2,3]. тальных научных проблем, как сосуществование явС этим же связывается создание основ нового поколения лений сверхпроводимости и ферромагнетизма, осущеузкополосных устройств твердотельной спиновой элек- ствления джозефсоновского туннелирования сквозь фертроники миллиметрового и субмиллиметрового диапазо- ромагнитный барьер, позволяет реально приблизиться нов — генераторов, усилителей, приемников, фильтров к решению вопросов о возможности локализации и и других, модулируемых и перестраиваемых по частоте пространственного переноса спина электрона, расшимагнитным полем и управляемых током. Именно по- рения частотной области спектроскопии твердого тела следнее обстоятельство, т. е. наличие дополнительной и ряда других. Кроме того, подобные исследования „степени свободы“ и возможность управлять свойствами служат развитию технологической и технической базы Спин-поляризованный транспорт и субмиллиметровая спектроскопия твердого тела современной науки и техники, поскольку во многом опи- качестве спиновых фильтров или спиновых инжекторов раются на монокристальную и планарную технологии, ограничивается областью низких температур, так как достижения физики и химии поверхности и контактных их Tc составляют соответственно 69 и 16 K. Более явлений. высокими температурами Кюри, лежащими в области температур жидкого азота, обладают ФП на основе халькогенидных шпинелей хрома — Me2+Cr2Se4, где 1. Теоретические предпосылки Me2+ — Cd, Hg, а также перовскиты на основе LaMnO3.

и экспериментальный задел Tc последних при легировании их ионами Ca2+ или Sr2+ достигают комнатных температур. Хотя некоторые Исторически вопрос о возможности наблюдения элекмагнитные параметры этих ФП по своим величинам тронного туннелирования в его классическом вариануступают приведенным выше магнитным параметрам те — одночастичном туннелировании — был принхалькогенидов европия, однако они также обладают ципиально решен в работах Л. Эсаки и сотрудников почти 100% спиновой поляризацией собственных ноеще в 1961 г., наблюдавших туннельный ток между сителей тока. Это делает их особенно перспективными двумя нормальными металлами, разделенными прослойдля использования в спиновых структурах, работа котокой, выполненной из магнитного диэлектрика — EuS и рых не требует применения дорогостоящих криогенных EuTe [5]. Фактически это означало первое наблюдение устройств. В том числе, как показывают результаты [7], спин-поляризованного туннельного тока. Отметим, что реальным представляется их использование в туннельуказанные магнитоактивные прослойки являются ферроных спинтронных структурах.

магнитными полупроводниками и при низких темпераСледует заметить, что еще до разработки возможных турах во внешнем магнитном поле обладают полностью спиновых структур микроэлектроники отмеченная ософерромагнитно упрядоченной структурой локализованбенность Ф-упорядоченного барьера в мультислойной ных магнитных моментов ионов Eu2+. Ферромагнитное структуре М(С)/Ф с большей вероятностью пропускать упорядочение ионов европия в свою очередь приводит к одночастичный туннельный ток со спиновой ориенспиновой поляризации носителей тока в них по механизтацией носителей, совпадающей с намагниченностью му s-d (d- f )-обменного взаимодействия. Рекордный для Ф-барьера, имела интересное применение на практике.

ферромагнетиков магнитный момент, приходящийся на Дело в том, что обменное расщепление зоны проодин магнитный ион ( 7 µB), наблюдается в кристаллах водимости Ф-металла при его спиновом упорядочении EuO. Он обусловлен 4 f -электронами иона европия, и на уровне Ферми на подзоны со спином „вверх“ () и величина намагниченности насыщения при этом дости„вниз“ () оказывается дополнительным энергетическим гает значения 4s = 2.43 T для температуры T 0K.

барьером для туннелирующих квазичастиц определенЭто приводит к тому, что носители тока в ферромагнитной спиновой ориентации. В случае, когда их спиноном полупроводнике максимально поляризованы по спи- вая ориентация совпадает с нижней спин-расщепленной ну (почти на 100%). Данное обстоятельство делает пер- подзоной Ф-барьера, высота энергетического барьера спективным применение именно ФП, а не Ф-металлов меньше, а прозрачность такого барьера больше, чем в структурах, предназначенных обеспечивать высокую для частиц противоположной спиновой ориентации.

спиновую поляризацию тока эмиссии, в том числе в Ф-барьер в туннельной М(С)/Ф-мультислойной структуннельных и контактных структурах. Напомним, что в туре выполняет роль своеобразного спинового фильтра.

ферромагнитных металлах степень спиновой поляриза- В условиях сверхнизких температур, высокого вакуума ции носителей тока достигает в лучшем случае порядка и достаточно высокой напряженности электрического 10% [6].

поля диодный ток поляризованных по спину электронов Другим наиболее примечательным свойством ФП яв- в силу возникновения азимутальной асимметрии их ляется существенная зависимость в них сдвига края рассеяния на анодной мишени нашел прямое использооптического поглощения (или щели в электронном спек- вание в исследованиях, например, в экспериментальной тре, Eg) от степени магнитного порядка в структуре атомной физике и физике высоких энергий при изучении и внешнего магнитного поля. Максимальная для ФП низкоэнергетических процессов рассеяния электронов, величина такого сдвига в „красную“ сторону спектра при исследовании эффектов сохранения четности и ряда понижении температуры образца до 20 K достигается в других явлений [8]. Информативность таких процессов EuO, в котором она составляет Eg = 0.25 eV (в EuS — при этом резко возрастает. При использовании в ка0.16 eV, в соединениях на основе фазы LaMnO3 —также честве эмиттера поляризованных по спину электронов 0.16 eV при T < Tc, Tc — температура Кюри). Внешнее твердотельной структуры W/EuS степень их ориентации магнитное поле усиливает этот сдвиг Eg еще почти в электрическом поле E 1 kV составляла порядка на 10%. Таким образом, воздействуя этим внешним 85%. Теоретически же допустимая степень спиновой параметром на концентрацию и подвижность носителей поляризации электронов такого М/ФП твердотельного тока в них, удается регулировать как собственную, эмиттера выражается величиной P 0.93-0.96% и так и примесную проводимость ФП при максимальной ограничена только естественным размытием функции спиновой их ориентации. Использование EuO и EuS в распределения ферми на „хвосте“ плотности состояний 9 Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 900 А.С. Борухович, Н.А. Виглин, В.В. Осипов При этом температурная зависимость Ucr(T ) для разных повторяет поведение магнитной щели (T ) ФП, а sd запорное напряжение в структуре возникает всегда при отрицательном потенциале на металле.

В отличие от этой гетероструктуры в случае контакта М/HgCr2Se4 p-типа запорное напряжение образуется при положительной полярности металла, что соответствует классическим контактам М/П [14]. Однако при T < Tc выпрямляющее свойство этого контакта исчезает вовсе и сам контакт делается омическим, т. е. приобретает металлоподобный ход электросопротивления, как и ФП HgCr2Se4 n-типа.

Новые практические возможности осуществления спинового транспорта связываются с реализацией физических явлений в гетероконтактах и мультислоях ФП/П.

В силу того что в используемом в современных устройРис. 1. Выпрямляющие свойства контакта HgIn/HgCr2Se4 для ствах микроэлектроники широком наборе гетерострукразных температур и давлений отжига в парах Hg: a–c —при P = 0.5atm.; d–f —при P = 10 atm.; „+“ и „-“ означают тур и мультислоев с участием немагнитных полупрополярность смещения на ФП.

водников и металлов направление спина носителей тока в них несущественно, оно не сказывается на свойствах этих структур и механизмах, определяющих их работу.

Новизна же этих возможностей обусловлена спиновой электронов ФП ( 4%) [10]. Весьма близок к ней может инжекцией поляризованных электронов из ФП в П, спооказаться источник поляризованных электронов M/EuO, собной приводить к радикальному изменению свойств который в отличие от эмиттера W/EuS способен устойпоследнего. Выше, в частности, уже указано на возможчиво работать в высоком вакууме вплоть до температур ность наблюдения поляризованной люминесценции [2,3], жидкого азота [11].

механизм осуществления которой отличен от ранее теоВыпрямляющий эффект в мультислойном контакте ретически предсказанной возможности подмагничивания М/ФП за счет образования барьера Шоттки в присистемы спинов носителей тока в полупроводнике при контактной области тройного ФП, выполненного на его освещении неполяризованным светом [15]. Тем не основе фазы CdCr2Se4, для ее парамагнитной (T > Tc) менее и в том и в другом случае из-за осуществления области температур, был впервые реализован в рабоспиновой ориентации носителей тока в полупроводнике те [12]. Для подобного гетероконтакта М/ФП, где в кадолжны изменяться и его микроволновые характеричестве последнего выступал кристалл HgCr2Se4 n-типа, но для ферромагнитной области температур T < Tc стики во внешнем магнитном поле. В частности, на частоте электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) (Tc = 120 K), авторами [13] были продемонстрированы = µBgH/h, где h — постоянная Планка, µB — его дополнительные физические возможности, обязанмагнетон Бора, g — фактор электронов проводимости ные обменному расщеплению зоны проводимости этого в П, когда в зависимости от степени инверсии засеФП при Ф-упорядочении спинов ионов Cr3+ на две ленности зеемановских электронных уровней энергий подзоны по механизму s-d-обмена при инжекции носителей тока из ФП в П возможно как усиление поглощения, так и появление излучения с = ±1/2AsdS (T )/ (0).

sd энергией кванта h = µBgH, перестраиваемого внешним Здесь S —спин иона, Asd — обменный s-d-интеграл; магнитным полем H.

(T ), (0) — намагниченности насыщения ФП соответ- Возможность осуществления такой генерации в ственно при текущей температуре T и T = 0K. По ФМ(ФП)/П-структуре иллюстрируется на рис. 2, предмере осуществления туннельного перехода электронов ставляющем собой зонную схему перехода спина нометалла в верхнюю подзону ФП и ее заселения, начи- сителя тока из ФМ(ФП) на верхний зеемановский ная с некоторого напряжения U > Ucr, наблюдается электронный уровень немагнитного полупроводника при понижение электропроводности структуры вследствие его токопереносе в E-поле и заселение этого уровня уменьшения подвижности носителей тока в ФП из-за (процесс поглощения) в отсутствие внешнего H-поля, электрон-магнонного рассеяния. или дальнейший переход носителя на частоте ЭПР на Представленные на рис. 1 экспериментальные дан- нижележащий свободный электронный уровень полуные иллюстрируют данный процесс для контакта проводника с выделением соответствующей энергии h HgIn/HgCr2Se4 при разных температурах [13]. Так, если с (процесс генерации излучения).

Pages:     || 2 | 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.