Кремниевая спинтроника

Развитие спинтроники (где информацию хранят и переносят не заряды, а магнитные моменты или спины) во многом тормозится из-за отсутствия подходящих полупроводниковых материалов, таких же распространенных и недорогих как кремний – основа обычной электроники.

Если для изготовления магнитных жестких дисков и магнитной памяти вполне подходят наноструктуры из ферромагнитных металлов, то перепрограммируемые логические спинтронные устройства пока существуют лишь на бумаге. Из-за слабого спин-орбитального рассеяния и отсутствия пьезоэлектрических эффектов кремний и здесь мог бы оказаться вне конкуренции. Однако пока никому не удавалось продемонстрировать возможность создания в кремнии спин-поляризованного тока, поскольку оптической спиновой инжекции (за счет облучения спин-поляризованным светом) препятствуют особенности электронной зонной структуры кремния (он является полупроводником с непрямыми межзонными переходами), а электрическая инжекция спинов затруднена из-за формирования на границе раздела с ферромагнетиком барьера Шоттки. Кроме того, отсутствует надежная методика регистрации спинового тока в кремнии.

Printsyp_dejstvija_spinovogo_klapana.gif Рис.1. Принцип действия спинового клапана. Если направления намагниченности двух ферромагнитных «спиновых фильтров» совпадают, то электроны с соответствующей проекцией спина попадают из эмиттера сначала в кремний, а затем в коллектор (a), а если противоположны, то до коллектора они не доходят (b).

Для инжекции спин-поляризованных электронов в слой нелегированного кремния толщиной 10 мкм американские специалисты из University of Delaware [I.Appelbaum et al., Nature 447, 295 (2007)] наносили на одну сторону этого слоя ферромагнитную пленку Co84Fe16, игравшую роль «спинового фильтра», а для доказательства наличия в кремнии спинового тока использовали пленку Nd80Fe20, расположенную с другой стороны этого слоя (см. рис.1) (так называемый «эффект спинового клапана», spin-valve effect). Резкое изменение силы тока Ic в коллекторе при изменении взаимной ориентации намагниченности Co84Fe16 и Nd80Fe20 говорит о том, что ток действительно переносят поляризованные по спину электроны (эксперимент проводили при достаточно низкой температуре T = 85 К, чтобы вклад в Ic от термических электронов был несущественным). Еще одним убедительным свидетельством этого факта является периодическая зависимость Ic от магнитного поля, что объясняется прецессией спинов в процессе движения электронов от эмиттера к коллектору (см. рис.2).

Spiny_elektronov.gif Рис.2. В магнитном поле (направленном перпендикулярно плоскости рисунка) спины электронов прецессируют с частотой, пропорциональной напряженности магнитного поля H, что приводит к периодической зависимости силы тока в коллекторе от H

Оценка времени переворота электронного спина дала ≈ 1 нс, что несколько больше среднего времени движения электронов через слой кремния (около 0.5 нс). На повестке дня – проведение экспериментов при комнатной температуре. Необходимо также существенно увеличить силу спин-поляризованного тока (то есть фактически – повысить эффективность прохождения электронов через «спиновый фильтр»). Этого можно попробовать добиться, например, заменив обычный ферромагнетик на ферромагнитный полупроводник или используя оксидный туннельный барьер между кремнием и ферромагнетиком [I.Zutic, J.Fabian, Nature 447, 269 (2007)]. Кроме того, интересно посмотреть, к чему приведет легирование кремния донорными или акцепторными примесями. Ну и, конечно, требуются новые идеи о конкретных практических приложениях спинового транспорта в кремнии.

Автор: А.В.Елецкий

Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 5 (1 vote)
Источник(и):

ПерсТ: Кремниевая спинтроника