Борисенко В.Е. - Наноэлектроника (Теория и практика) (1051247), страница 61
Текст из файла (страница 61)
Поэтому степень оптической поляризации Р, связана со спиновой поляризацией электронов Р соотношением: (Зпг+пт) — (Зит +из) 1 и„-п Р,= =ВАР. (3 3 26) (Зп +п )+(Зи +п ) 2 и +п1 Экспериментально измеренная величина Р, = 50% говорит о 100%-й эффективности спиновой инжекции в колодец. Существуют и другие (пока только теоретически обоснованные) предложения для спинового детектирования подвижных носителей заряда в твердых телах.
Было, например, показано, что для этих целей можно использовать примеси с сильным спин-орбитальным рассеянием. Такие примеси асимметрично рассеивают электроны с различными направлениями спина. Спин-зависимый эффект Холла также рассматривался как возможный инструмент для определения спина носителей заряда. Решающее значение имеет практическое воплощение этих идей, в том числе и развитие новых эффективных подходов, основанных на электрических измерениях.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Какие эффекты могут быть использованы для расшепления электронных состояний по спину в объемных полупроводниках и в низкоразмерных структурах на их основе? 2. Какие материалы называют разбавленными магнитными полупроводниками? 3. В чем заключается эффект Зеемана? 4. В чем заключается эффект Рашбы? 5.
Какова величина расшепления по спинам разрешенных электронных состояний в эффекте Зеемана и эффекте Рашбы? 296 Г л а а а 3 . Пе нос носителей заряда а ннзкоразмерных структурах... 6. Что ограничивает эффективность ннжекцни спнн-поляризованных носителей заряда через контакт металлический ферромагнетик/полупроводник? 7.
Какими процессами обусловлено изменение спина подвижных носителей заряда по механизмам Бира — Аронова — Пикуса, Элднота — Яфета, Дьяконова — Переля? 8. На чем основано оптическое детектирование спннов подвижных носи- телей заряда в полупроводниках? 3.3.4. Эффект Коидо Согласно классическим представлениям электрическое сопротивление металлов уменьшается при понижении температуры, так как электроны все слабее и слабее рассеиваются иа тепловых колебаниях кристаллической решетки. Но в области очень низких температур возможны три различных сценария поведения сопротивления (рис.
3.48). Сопротивление большинства чистых металлов (например, Сц, Ац и А!) уменьшается при понижении температуры до тех пор, пока ие достигнет определенной остаточной величины. Некоторые металлы (РЬ и ХЬ и др.) при охлаждении становятся сверхпроводящими: их сопротивление падает фактически до нуля при критической температуре Т,.
Однако в металлах, содержащих небольшое количество магнитных примесей (таких, как Ге, Со, Ы!), сопротивление при очень низких температурах увеличивается, что связано с ненулевым полным спииом всех электронов в образце. Этот эффект получил называние э4фекта Кондо (Копйо ерест) !аб. Ои наблюдается ие только в металлах с магнитными примесями, ио и в квантовых с о ы Рис. 3.48. Типы температурных заанснмостей сопротивления металлов в области низких температур (Π— 10 К) Т, Температура те ка Х Конг(о, йеаопапсе пныгппгп!и са1иге гпаапебс а!1оуа, Ргоа. Тйеог. Рйуа.
32(1), )7-49 (19б4). 297 дд Спин-эависинмй лспо т носителей эа яда точках. Температуру Т», при которой начинается рост сопротивле- ния, назьгвают температурой Конде (Копдо гетрепаиге). З.З.Ф. У. Магнитные примеси а объемных металлах Объяснение эффекта Кондо может быть дано в рамках модели магнитной примеси, предложенной П. В.
Андерсоном (1961), и иллюстрируется энергетическими диаграммами, приведенными на рис. 3.49. Атом магнитной примеси в немагнитном металле представлен квантовым колодцем, который имеет только один энергетический уровень ЕВ ниже уровня Ферми в металлической матрице. Этот уровень занят одним электроном с определенным спином (например, направленным вверх, как это показано на диаграмме стрелкой). Атом примеси окружен множеством электронов атомов матрицы, занимающих все состояния с энергиями ниже уровня Ферми, в то время как состояния с более высокой энергией свободны.
Когда к образцу прикладывается электрическое напряжение, то занятые электронами уровни по обеим сторонам колодца слегка смещаются. Добавлению в колодец еше одного электрона препятствует кулоновское межэлектро нное взаимодействие с характерной энергией У. Удаление электрона от атома примеси требует добавления к системе энергии, по крайней мере, Е (рис. 3.49, а). Однако принцип неопределенности Гейзенберга позволяет электрону покидать колодец на короткое время порядка Ь/Ев.
Поэтому электрон может туннелировать из колодца, занять ближайший вакантный уровень вне его (рис. 3.49, б), а затем быть замешенным одним из электронов, окружающих примесь (рис. 3.49, в). Если замещаю- Нанагв ВО. СОСГОВГВВ ЙгэОмвжтгочнОВ СОС1ОЯНВВ ; Г~.:~ 1';."-:!! Г|ЛО~ВОСГЬ СОСГОЯВНВ Рис. 3.49. Модель Андерсона для атома магнитной примеси в проводящем оо- раэпс во внешнем электрическом поле 298 Глава 3. Перенос носителей заряда в ни»кора»нервна структурах...
щий электрон имеет противоположное направление спина, то направление спина примеси в образце изменяется. В результате в некоторой области образца начальное и конечное направление спина примеси различаются. При понижении температуры эти процессы начинают доминировать над затухающими тепловыми механизмами рассеяния подвижных носителей заряда, что и проявляется как увеличение электрического сопротивления образца.
Обмен электронами с различными спинами качественно меняет энергетическую зависимость плотности состояний в системе. Совокупность большого количества таких процессов, происходящих одновременно, называют копдо-зрезопапсом (Копсзо геюпапсе). Этот резонанс приводит к возникновению нового электронного состояния, называемого кендо-состоянием (Копдо агате). Его энергия равна энергии Ферми. Оно всегда находится «в резонансе» с уровнем Ферми. Так как кондо-состояние формируется в результате обменного процесса между электроном, локализованным около атома магнитной примеси, и свободными электронами, эффект Кондо представляет собой типичный многочастичный эффект. Электроны, взаимодействующие с магнитной примесью, формируют так называемые копдо-облака (Копдо с!ошзз). Поскольку каждьзй из этих электронов содержит информацию о спине примеси, то они несут на себе и информацию друг о друге. Таким образом, состояния электронов в кондо-облаках взаимосвязаны.
Увеличение сопротивления металла при понижении температуры является первым признаком существования кондо-сосгояния. Это состояние характеризуется сильным рассеянием электронов с энергиями, близкими к уровню Ферми. Гибридизация электронов проводимости с локализованным спином атома магнитной примеси в металле ведет к росту удельного сопротивления при низких температурах.
При этом полное удельное сопротивление как функция температуры имеет вид: (3.3.27) р =АТ -В(пТ+С, где А, В, С вЂ” постоянные, зависящие от концентрации магнитных атомов, обменной энергии и сечения обменного рассеяния. Температура Кондо определяется по выражению: (3.3.28) Т ехр 2 азЕ(Г где оŠ— ширина энергетического уровня примеси, отличная от нуля из-за туннелирования электронов (рис. ЗА9, г).
»99 3.3. Спин-зависимый транспорт носителей заряда Температура Кондо пропорциональна концентрации магнитной примеси в степени 1/5. Для массивных металлических систем она находится в диапазоне от 1 К до 100 К. Для кондо-системы отношение между ее сопротивлением Я при определенной температуре Ти ее сопротивлением Яв при температуре абсолютного нуля является универсальной функциейЯ Т/Тк). Все материалы, которые содержат примеси со спином ! /2, могут быть описаны той же самой температурной зависимостью — функцией/1 Т/Тх).
Таким образом, кондо-систему можно полностью охарактеризовать температурой Кондо вместо совокупности параметров У, Е, и с»Е. 3.3.4.2. Зффакт 1«андо а каантоаык точках Квантовые точки представляют собой еще один класс систем, транспортные свойства которых можно регулировать, используя эффект Кондо. По сравнению с магнитными примесями в объемных металлах для квантовых точек возможен более высокий уровень контроля параметров системы.
Квантовая точка, содержащая строго определенное число электронов, может вести себя как магнитная примесь. Полный спин квантовой точки равен нулю или целому числу при четном числе электронов в ней и полуцелому числу при нечетном числе электронов. Последний случай — классический пример для наблюдения эффекта Кондо.
При этом все электроны, кроме одного (с самой высокой энергией) можно игнорировать, что эквивалентно наличию в квантовой точке единственного носителя спина 3 = 1/2. Квантовую точку с затворами можно электрически переключать из состояния «кондо-система» в состояние «не-кондо-система», поскольку число электронов в ней может быть изменено с нечетного на четное. Схематически такая структура и ее проводимость показаны на рис. 3.50, а. Квантовая точка соединена с двумя источниками электронов туннельными каналами, пропускная способность которых управляется напряжением на входном и выходном затворах. Связь точки со стоком и истоком приводит к появлению у энергетического уровня электрона в ней дополнительной составляющей ЛЕ. Число электронов в точке и их уровни энергии регулируются напряжением, прикладываемым к центральному затвору. Температуру Кондо можно изменить, меняя напряжение на затворе, поскольку при этом энергия однозлектронного состояния приближается к уровню Ферми.
Отличие квантовой точки от объемного металла с магнитной примесью обусловлено, главным образом, разной природой электронных состояний в них. В металлах эти состояния представляют собой плоские электронные волны, а энергетический спектр явля- 300 Гл а в а 3. Пе нос носителей заряда в ннзкоразмерных структу х... Ег Ъ ~Ш"'::: ':=: 1 ' 1'-""-' Нсзпкоаью С"охоеый жнаср Затвор а Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
