Борисенко В.Е. - Наноэлектроника (Теория и практика), страница 7

Длина спиновой релаксации определяется, главным образом, процессами спин-орбитального и обменного рассеяния. При идентичном составе материала в кристаллах она больше, чем в аморфной фазе. Наиболее яркое проявление спиновых эффектов резонно ожидать в материалах с наибольшей спиновой поляризацией электронов.

Это стимулирует поиск материалов со 100%-й спиновой поляризацией. На практике же пока используются материалы с частичной спиновой поляризацией — металлы и их сплавы, оксиды, магнитные полупроводники. Их примеры даны в табл. 1.2 и 1.3. материала собственного магнитного момента (намагниченности). Заселенность энергетических зон электронами с разным спином определяет как спиновую поляризацию инжектируемых из такого материала электронов, так и особенности транспорта носителей заряла через него. Собственную спиновую поляризацию электронов в материале определяют как отношение разности концентраций электронов с различными спинами (лг и пз) к их общей концентрации: 1. 1.

ндаменталеные явления в низяоразмерных ст кту 7аблнцн 1.2. Мзксиввальнвв спиновап полвризацив электронов проводимости в различных материалах при коввнатной температуре и их температура Кюри** ' Сплав разорен называют пермаалой. е' Температура Кюри — температура, выше которой происходит переход вешества из ферромагнитного в параны нитное в состояние. Аналог температуры Кюри для антиферромагнети кое называюгтемпературой Несла. 7аблнцн 1.3. Примеры сплавов Хвйслвра и их твмпврзтуры Кюри вйм м 1ЧгтМпйа ХгтМпОе СозХЮа Материал СогМпОа Температура Кюри, К 350 320 670 690 340 Анализируя экспериментальные данные по спинозой поляризации, следует иметь в виду, что этот параметр чувствителен к технологии получения материала, к его структуре и наличию в нем примесей.

Среди ферромагнетиков наиболее высокой спинозой поляризацией носителей заряда при комнатной температуре обладают сплавы Хейслера (Нецй1ег айоуз). Они образуются металлами, атомы которых в чистом состоянии имеют лишь частичное магнитное упорядочение, а в сплаве спины всех его атомов оказываются ориентированными в одном направлении, что обеспечивает до 100% синцовой поляризации электронов на уровне Ферми. Параметры решеток таких сплавов варьируются в достаточно широких пределах без изменения структуры, что облегчает их интеграцию с полупроводниковыми материалами. Наряду с типичными ферромагнетиками значительные перспективы практического использования имеют полупроводники, легированные высокими концентрациями (до нескольких атомных процентов) магнитных примесей.

Их называютразагаавеннммимаглллульцни подулроводуипгами (е(е1игег( тп((пеле детусолг(исгоуз, 36 Гл а в а 1. Физические основы нанозлектроники .0М5). Исходными материалами являются полупроводниковые соединения Ан'В", АнВУ! кремний, германий, а в качестве магнитной примеси чаще всего применяют марганец. В таких материалах удается получить спиновую поляризацию носителей заряда вплоть до 80%, хотя температура Кюри для большинства исследованных разбавленных магнитных полупроводников порядка 100 К. Уникальные физические свойства разбавленных магнитных полупроводников обусловлены взаимодействием подвижных носителей заряда с магнитными моментами частично заполненных электронных оболочек атомов примеси.

В настоящее время нет универсальной теории, объясняющей природу ферромагнетизма в различных разбавленных магнитных полупроводниках. Рассматривают несколько возможных механизмов. В частности предполагается', что локализованные электроны входят в состав частично заполненных гг'- или Г'-оболочек магнитных атомов, а связь между ними осуществляется подвижными электронами проводимости. Вклад спина электронов проводимости в полный момент ферромагнитного кристалла мал по сравнению с вкладом электронов магнитной примеси, однако именно свободные электроны делают возможным магнитное упорядочение и определяют его тип. Будучи спин-поляризованными, при движении по кристаллу электроны переносят взаимодействие между спинами локализованных электронов. Для описания магнетизма легированных элементарных полупроводников была развита теория перколяций.

В ней рассматриваются устойчивые ферромагнитные области кристаллов, в которых упорядочены спины ионов примеси и локализованных носителей заряда. Эти области — магнитные поляроны — при понижении температуры расширяются, перекрываются друг с другом и в конечном итоге достигают размеров образца. В наноструктурах это происходит, очевидно, при более высоких температурах, чем в объемных образцах. Именно поэтому в наноструктурах магнитных полупроводников ожидаются более высокие температуры Кюри, чем в традиционно используемых образцах. Отметим, что для приборных применений идеальный разбавленный магнитный полупроводник должен иметь не только высокую спиновую поляризацию носителей заряда, но и температуру Кюри выше комнатной, а также допускать создание областей с п- и р-типом проводимости.

ег. А. Яидеггиаи, с. !Г(не(, !почгесг ехсьапае совр!!па о! ппс1еаг пгаапег)с пгопгепга ьу сопдпсгазп е1есггопз, Рьуз. кеч. 96(1), 99-102 (1954). 1. 1. Фундаментальные явления в нивкаразмерныя етрукту ак зт В кремнии п-типа проводимости спиновая поляризация электронов при комнатной температуре не превышает 5%. Тем не менее, длина спиновой релаксации 230 нм для электронов и 3(0 нм для дырок делает этот традиционный в твердотельной электронике полупроводник вполне пригодным для создания на его основе электронных приборов на спиновых эффектах. Ферромагнитные свойства отмечены в низкоразмерных структурах из оксидов ряда металлов (е.пО, БпОм !пзОи А(зОи Т(О,).

Основной причиной ферромагнетизма в них является нестехиометрия по кислороду, особенно в их приповерхностных областях толшиной 7 — 30 нм. В спин-поляризованных материалах состояния с преобладающим спином контролируются намагниченностью этих материалов. Если намагниченность изменяется на противоположную, то преобладающая ориентация спинов также меняется на противоположную. При инжекции спин-поляризованных электронов в материал с отличной от нуля намагниченностью, а следовательно, и со спиновой поляризацией, контролируемой внешним магнитным полем, этот материал может вести себя как проводник или как изолятор — в зависимости от направления намагниченности и ориентации спинов инжектированных электронов.

При одинаковом направлении спинов инжектированных электронов и электронов материала обеспечивается наивысшая проводимость. Противоположное направление спинов препятствует прохождению электронов через материал. Два основных эффекта, а именно — гигантсквемагннтвсо~- рвтивление (уап1 таяпегоуегигапсе) и туннельное магнитвсопрвтнвленне (гиппе71пя таяпегогезигапсе) — являются следствием особенностей транспорта носителей заряда, контролируемого спином электронов в наноразмерных структурах. Эти эффекты составляют основу нового направления в науке и технике, которое получило название «спннтроннка» (зргпгуопгсз). Основная задача спинтроники — создание элементов электронной обработки информации с использованием в качестве носителей информации как заряда электрона, так и его спина.

Возможность контроля н управления спиновыми состояниями в твердых телах представляет также значительный интерес для практической реализации идей квантовых вычислений(аиаппнп сотрнгаггоп), которые обещают революционный прогресс в развитии информационных систем. Детальное рассмотрение упомянутых спиновых эффектов и примеры спинтронных приборов приведены в последуюших разделах. Гл а на 1.

Физические основы наноэлектроника ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Что такое собственная спнновая поляризация электронов в материале? 2. В каком диапазоне находится типичная спнновая поляризация электронов в ферромагнитных металлах? 3. Что такое температура Кюри? 4. Что такое разбавленные магнитные полупроводники? 5. Что такое длина сливовой релаксации? 6. Чем контролируется спиноная поляризация электронов в материале? 7. Каковы особенности магнитных свойств наноразмерных структур, изготовленных из ферромагнитных материалов? 1.2.

ЭЛЕМЕНТЫ НИЗКОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР Природа потенциальных барьеров, используемых для создания низкоразмерных структур, неизбежно определяет свойства этих структур. Реальные границы раздела привносят дополнительные квантовые эффекты, которые следует учитывать при конструировании наноэлектронных, оптоэлектронных и оптических приборов. Рассмотрим электронные свойства границ раздела и комбинированных структур, включающих низкоразмерные элементы. 1.2.1. Свободная поверхность и межфааиые границы Практическая реализация квантового ограничения и связанных с ним эффектов требует пространственной локализации электронов. В твердых телах это может быть достигнуто путем использования свободных поверхностей и межфазных границ.