_{Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени Государственный Технический} Университет имени Н. Э. Баумана

ФАКУЛЬТЕТ: Машиностроительные Технологии

КАФЕДРА: “Электронные технологии в

машиностроение”

Реферативная работа

по курсу «Основы наноэлектроники и нанотехнологий»

На тему: «Устройства спинэлектроники »

Студент

Загребельный Д.В.

Группы МТ11-82

Москва 2015г

Оглавление

1. Введение 3

2. Устройства спинтроники 4

2.1 Спиновый диод 4

2.2 Спиновый транзистор Джонсона 6

2.3 Транзистор Монсма 7

2.4 Спиновый транзистор Датта-Даса 8

3. Заключение. 11

4. Литература. 12

1. Введение

В представлении многих современная электроника основана на использовании эффекта переноса заряда или, проще говоря, на использовании электрического тока. Но искушенный читатель знает, что электроны, создающие ток в электрической цепи, обладают собственным магнитным моментом. До недавнего времени данное свойство в практических целях никак не использовалось, но на рубеже XX-XXI веков появилась новая отрасль науки — магнитоэлектроника или, как теперь принято ее называть, спинтроника (от англ. spintronics — SPIN TRansport electrONICS, то есть «электроника на основе переноса спина»). В ее основу заложено понятие спина электрона. Cогласно принципу квантования проекции спина на выбранную ось, электроны разделяют на два типа носителей тока: электроны со спином вверх и электроны со спином вниз (½ или -½) рисунок 1. По сути, в природе имеется уже готовый переносчик двоичной информации, кодирующий в направлении спина либо 1, либо 0.

В наше время спинтроника изучает магнитные и магнитооптические взаимодействия в металлических и полупроводниковых наногетероструктурах, динамику и когерентные свойства спинов в конденсированных средах, а также квантовые магнитные явления в структурах нанометрового размера. Наряду с ранее известными магнетиками по мере развития спинтроники появляются новые: магнитные полупроводники, вещества, в которых можно контролировать магнитные, полупроводниковые и оптические свойства.

Экспериментальная техника спинтроники включает в себя магнитооптическую спектроскопию с высоким (фемтосекундным) временным разрешением, микромеханическую магнитометрию, атомно- и магнитосиловую сканирующую микроскопию субатомного разрешения, спектроскопию ядерного магнитного резонанса и многое другое. Химические, литографические и молекулярно-кластерные технологии позволяют создавать для спинтроники разнообразные наноструктуры с необходимыми магнитными свойствами. 41Спинтронная технология обладает многими достоинствами. Одни из важнейших — быстрота и экономичность. Спин электрона можно переключать из одного состояния в другое за много меньшее время, чем требуется на перемещение заряда по схеме, и с меньшими затратами энергии. Плюс к этому, при смене спина не меняется кинетическая энергия носителя, а, следовательно, почти не выделяется тепло.

В совокупности все эти особенности технологии позволяют создавать на базе спина и спиновых токов (потоков электронных спинов единой полярности) новые транзисторы, ячейки логики и памяти, которые заменят собой обычные транзисторы в интегральных микросхемах. А это, в свою очередь, позволит придерживаться тенденции к миниатюризации, которая наблюдается на протяжении всей микроэлектронной эпохи. Рассмотрим несколько примеров использования идей спинтроники для изготовления компонентов микроэлектроники.

1. Устройства спинтроники

1. Спиновый диод

Рисунок 1. Структура спинового клапана

В основе устройств, использующих GMR, лежит так называемый спиновый клапан (spin valve), структура которого представлена на рис. 1. Он состоит из двух слоев ферромагнетика (сплавы никеля, железа и кобальта), разделенных тонким слоем немагнитного металла (обычно это медь). В одном из слоев ферромагнетика магнитное поле "закреплено", другими словами, намагниченность данного слоя относительно нечувствительна к изменениям внешнего магнитного поля. Такая фиксация магнитного поля обычно выполняется с помощью плотно прилегающего слоя антиферромагнетика. Образующаяся граница раздела между двумя пленками препятствует изменению намагниченности в ферромагнетике. Другой слой ферромагнетика является "свободным" – его намагниченность может быть изменена внешним полем относительно малой напряженности. Сопротивление спинового клапана при антипараллельных магнитных полях в ферромагнетиках на 5 – 10 % выше, чем при параллельных. Еще один тип спинового клапана можно построить, используя явление магнитного туннельного перехода (Magnetic Tunnel Junction – MTJ). Такие клапаны состоят из закрепленного и свободного магнитных слоев, которые разделены очень тонким слоем изолятора, обычно им служит окись алюминия (рис. 2). Сопротивление здесь изменяется с помощью внешнего магнитного поля точно таким же способом, как и в предыдущем случае. При антипараллельных магнитных полях в ферромагнетиках его значение увеличивается на 20 – 40%.

Рисунок 2. Магнитный туннельный переход

2.2 Спиновый транзистор Джонсона

Рисунок 3. Схема спинового транзистора Джонсона

Развитие микроэлектроники способствовало быстрому переходу от двухконтактных спин электронных устройств к трехконтактным системам. Эти системы состоят из двух ферромагнитных слоев, разделенных парамагнитной прослойкой, и проявляют эффект гигантского магнитосопротивления. Такое устройство было названо транзистором Джонсона в честь его изобретателя, который подключил третий контакт к парамагнитному слою (Рис 3.).

Если говорить на языке биполярных транзисторов, то транзистор Джонсона состоит из базы (парамагнетик), эмиттера и коллектора (ферромагнетики). Если на коллектор подается потенциал, в цепи эмиттер–база происходит накопление электронов с ориентацией спинов вверх/вниз. Ток коллектора теперь будет зависеть от того, параллелен ли его магнитный момент или антипараллелен намагниченности эмиттера. Ферромагнитный эмиттер в данном случае играет роль поляризатора для накапливающихся спинов. Понятно, что для изменения потенциала в цепи эмиттер–база необходимо приложить внешнее магнитное поле, которое «переключит» вектор магнитного момента либо коллектора, либо эмиттера на противоположное направление.

2.3 Транзистор Монсма

Первым гибридным спин электронным устройством был транзистор Монсма, который представлял собой спин вентиль, заключенный между слоями кремния. Два контакта присоединены к слоям кремния (эмиттер и коллектор), а третий — к спин вентилю (база) (Рисунок 4). Спин вентиль в данной структуре может состоять из многократно повторяющихся магнитных и немагнитных металлических слоев. В интерфейсах между кремнием и металлом формируются барьеры Шоттки, которые поглощают напряжения смещения, приложенные между парами контактов. Барьер Шоттки коллектора является обратно смещенным, а эмиттера — с опережающим смещением. Это позволяет инжектировать неполяризованные «горячие» электроны от полупроводникового эмиттера в металлическую базу с энергией выше энергии Ферми. Возникает вопрос: смогут ли горячие электроны пройти сквозь спин вентиль и сохранить достаточно энергии для преодоления барьера Шоттки коллектора (в противном случае они остаются в базе и перемещаются во внешнюю цепь)? Изменяя магнитную конфигурацию базы, можно установить, сколько энергии теряют «горячие» электроны при проходе сквозь базу. Если магнитные моменты смежных слоев спин вентиля выстроены антиферромагнитно, то оба типа спинов испытывают одинаковое рассеивание на магнитных слоях. Если к спин вентилю приложить внешнее магнитное поле, которое выравнивает все магнитные моменты слоев, то один тип спинов (спины вниз или «минорные») рассеивается сильно, в то время как второй (спины вверх или «мажорные») проходит без рассеивания через всю магнитную структуру. Таким образом, видно, что при ферромагнитном выстраивании магнитных моментов большее число спинов с энергией выше энергии барьера коллектора проходит через базу. То есть, как и в случае с транзистором Джонсона, мы имеем дело с транзистором, электрическими характеристиками которого можно управлять, меняя магнитное поле. Но в транзисторе Монсма рабочее напряжение и чувствительность к магнитному полю гораздо выше, что сильно расширяет его практическое использование. Транзистор Монсма стал важным шагом в эволюции спинтроники. Это первая комбинация спин электронных устройств с полупроводниками. Следует заметить, что полупроводники используются только для создания энергетических барьеров и экранирования спин зависимой части устройства от электрических полей. Для раскрытия всего потенциала гибридных устройств необходимо задействовать и полупроводниковые слои в процессе спин зависимого транспорта.

Рисунок 4. Спин-вентильный транзистор

2.4 Спиновый транзистор Датта-Даса

Практически в любой статье по устройствам спинтроники в качестве будущего спинтронного прибора упоминается так называемый транзистор Датта–Даса – баллистический (без рассеяния) полевой транзистор. В отличие от обычного транзистора эмиттер в нем – источник спин-поляризованных электронов, а коллектор – спиновый фильтр; в зависимости от напряжения на базе ток может быть включен или выключен. Под напряжением эмиттер инжектирует электроны с фиксированным (ориентированным) спином, который прецессирует в течение времени пролета электрона к коллектору. Прецессия спина возникает благодаря спин-орбитальному взаимодействию и приложенному напряжению, которое для движущегося электрона трансформируется в эффективное магнитное поле (эффект Бычкова–Рашбы). Так как магнитный коллектор из всех подлетающих электронов с прецессирующим спином отбирает электроны с определенной спиновой ориентацией, то электрический ток оказывается осциллирующей функ­цией приложенного к схеме напряжения. Предложенное устройство было названо электронным аналогом электрооптического модулятора. Можно также представить и различные усовершенствования спинового транзистора, связанные с взаимной ориентацией векторов намагниченности эмиттера и коллектора. Однако обычное спин-независимое рассеяние электронов приводит в транзисторе к перемешиванию спиновых состояний вследствие спин-орбитального взаимодействия. Таким образом, спиновый транзистор может успешно работать только в баллистическом режиме, но в таком случае теряются его преимущества перед обычным баллистическим транзистором.

Спиновый транзистор «усовер­шенствован» с учетом так называемой поправки Дрессельхауса к спин-орбитальному взаимодействию для трехмерных систем с кристал­лическими решетками, асимметрич­ны­ми относительно инверсии простран­ственных координат.

В этом случае когерентный перенос носителей между связанными каналами создает дополнительную спиновую прецессию и при одинаковых константах Рашбы и Дрессельхауса в спин-орбитальном взаимодействии прекращается влияние рассеяния на спин, так что спиновый транзистор может работать даже в небаллистическом режиме. Хотя создание спиновых транзисторов сталкивается с рядом трудностей, таких как наличие магнитных полей рассеяния и низкая эффективность спиновой инжекции, результаты выполненных в последнее время экспериментов указывают на возможность преодоления этих трудностей при использовании новых РМП.