Физики уже свыше 80 лет знают, что электроны, перемещаясь, переносят с собой не только свой электрический заряд, но и свой спин, с которым связаны собственный магнитный момент и механический момент вращения электрона. Однако электроника свыше 100 лет игнорировала этот факт, – сначала потому, что не знала об этом, а затем потому, что в обычных (не ферромагнитных) металлах и полупроводниках одновременно движутся множество электронов проводимости с различными случайными ориентациями спина. Поэтому суммарный среднестатистический перенос спинов практически равен нулю. И специалисты по электронике просто не замечали ни перенос спинов, ни спиновую зависимость характеристик переноса электронов. Даже в не намагниченных ферромагнитных металлах, в которых магнитные моменты разных доменов ориентированы хаотически, перенос спинов был незаметным. Лишь после открытия гигантского, туннельного и колоссального магниторезистивных эффектов "лед тронулся". Описанные выше магниторезистивные считывающие головки, в которых используются особенности электрического тока в ферромагнетиках, и магниторезистивная оперативная память стали первыми реальными воплощениями
Исследования и разработки в области спинтроники ныне переживают настоящий "бум". Он объясняется тем, что переворот спина не связан со значительными затратами энергии и происходит очень быстро – за несколько пикосекунд (10-12 с). При изменении направления спина кинетическая энергия электрона не изменяется, и это практически не приводит к выделению тепла. Поэтому и ожидают, что спинтронные элементы информатики и построенные из них устройства и системы будут иметь сверхвысокое быстродействие при затратах значительно меньшей энергии, чем в случае обычных электронных элементов.
(рис 1.1) Структура спинового клапана (слева) и магнитного туннельного перехода (справа). Белыми стрелками показано направление постоянной намагниченности "фиксированного" ферромагнетика
Основной характеристикой этих спинтронных устройств является зависимость проходного электрического сопротивления устройства или электрического тока, который протекает сквозь него (при постоянном приложенном напряжении), от индукции внешнего магнитного поля. Пример такой характеристики приведен в предыдущем цикле лекций на рис. 11.9 справа.
Логика употребления названия
На основе спинового клапана или магнитного туннельного перехода можно реализовать спинтронную гальваническую развязку двух электрических схем ( рис. 1.2 слева). Когда через шину входа пропускают входной ток (Івх) того или иного направления, то создаваемое им магнитное поле перемагничивает "свободный" ферромагнетик в соответствующем направлении. А от этого зависит величина выходного тока Івых Входная и выходная цепи при этом гальванически развязаны.
(рис 1.2) Структура спинтронной гальванической развязки (слева) и схема оптрона (справа – для сравнения)
Работа такого спинтронного устройства аналогична работе оптоэлектронной гальванической развязки, схема которой показана на рис. 1.2 справа. Входной ток Івх течет здесь через светодиод (СД) оптически связанный с фоторезистором (ФР). От того, излучает ли светодиод, зависит величина выходного тока Івых Но спинтронный аналог при наноразмерах магниторезистивной ячейки работает несравненно быстрее: частота переключений достигает нескольких десятков гигагерц.
Предложено уже много вариантов спинтронных транзисторов. Мы рассмотрим только некоторые из них.
(рис 1.3) Структура спин-вентильного транзистора (слева) и соответствующая энергетическая диаграмма (справа)
"Свободный" ферромагнетик из сплава NiFe имеет коэрцитивную силу приблизительно 400 А/м, а "фиксированный" (из кобальта) – приблизительно 1600 А/м. Не ферромагнитная прослойка и контакт с коллектором выполнены из золота, а контакт с эмиттером (Эм-р) – из платины. На границе раздела между базой и полупроводниками образуются барьеры Шоттки. Барьер Pt–Si приблизительно на 0,1 эВ выше барьера Au-Si. На энергетической диаграмме справа эти потенциалы Шоттки обозначены через φШ1 и φШ2. Вдоль горизонтали отложена потенциальная энергия электронов, вдоль вертикали вниз – координата на перпендикуляре к плоскости слоев. Штриховыми вертикальными линиями обозначены уровни Ферми EФ в эмиттере, в базе и в коллекторе, а через UЭБ и UБК – перепады напряжения между базой и эмиттером и соответственно между базой и коллектором.
Ток IБ из эмиттера в базу подбирают так, чтобы электроны входили в базу перпендикулярно слоям спинового вентиля. Из-за наличия барьера Шоттки в базу могут пройти только "горячие" электроны. В многослойной базе большинство этих электронов ориентируются спинами вдоль направления намагниченности "свободного" ферромагнитного слоя. Дальше они проходят сквозь очень тонкий не магнитный слой золота и попадают в "фиксированный" ферромагнитный слой кобальта. Если ориентация большинства спинов параллельна намагниченности этого слоя, то они проходят сквозь него, а если антипараллельна, то не проходят и образуют ток базы (IБ). После возможных редких рассеяний в базе электроны теряют часть своей кинетической энергии, но потом и набирают ее, ускоряясь благодаря напряжению между базой и коллектором. Многим из них этой энергии достаточно, чтобы пройти сквозь барьер Шоттки на контакте Au-Si . В результате ток коллектора (IК) существенно зависит от взаимной ориентации намагниченности "свободного" и "фиксированного" ферромагнетика. А эту ориентацию можно изменять внешним магнитным полем.
На рис. 1.4 типичная зависимость коллекторного тока (IК) от напряженности внешнего магнитного поля Н. Когда эта напряженность превышает коэрцитивную силу пленки кобальта, направления намагниченности обоих ферромагнитных слоев совпадают, и сквозь спин-вентильный транзистор течет максимальный ток (точка 1). Если Н уменьшать, то немного уменьшается и ток коллектора. Когда Н уменьшится до 0, начнет возрастать в противоположном направлении и достигнет величины коэрцитивной силы "свободного" ферромагнетика (точка 2), тогда слой NiFe перемагничивается в противоположном направлении, вследствие чего коллекторный ток резко падает.
(рис 1.4) Зависимость коллекторного тока спин-вентильного транзистора от напряженности внешнего магнитного поля
Если и дальше увеличивать Н в противоположном направлении, то при достижении значения коэрцитивной силы слоя кобальта (точка 3) начинается перемагничивание этого слоя также в направлении магнитного поля, вследствие чего направления намагниченности обеих ферромагнитных слоев опять совпадают, и коллекторный ток резко возрастает. При больших значениях Н коллекторный ток снова достигает наибольшего значения (точка 4). Если напряженность магнитного поля уменьшать (пунктирная линия), то все повторяется зеркально симметрично (точки 5, 6, 1).
В описанном
(рис 1.5) Эскизная схема и энергетическая диаграмма туннельного спин-вентильного транзистора
Между "свободным" ферромагнетиком (СФМ) и полупроводником образуется барьер Шоттки. Источники напряжения между эмиттером и базой UЭБ и между базой и коллектором UБК вызывают смещение уровней Ферми в эмиттере (EФЭ) и в коллекторе (EФК) относительно уровня Ферми в базе (EФБ). Спин-зависимое туннелирование электронов сквозь пленку изолятора обеспечивает зависимость токов от взаимной ориентации направлений намагничивания "свободного" и "фиксированного" ферромагнетика, а следовательно, и чувствительность транзистора к внешнему магнитному полю. Баллистический характер прохождения электронов проводимости сквозь тонкую базу (ее толщина меньше длины свободного пробега электронов между рассеяниями) обеспечивает высокое быстродействие – до нескольких терагерц. Характер зависимости коллекторного тока IК от напряженности внешнего магнитного поля подобен зависимости, показанной на рис. 1.4 .
Пример
(рис 1.6) Структура спин-транзистора с полупроводниковой базой
Дальше нанесен слой "фиксированного" ферромагнетика (ФФМ), являющегося эмиттером транзистора. Внешние выводы от эмиттера (Э) и от коллектора (К) выполнены из алюминия. Пленки нитрида кремния (Si3N4) выполняют функции туннельных переходов база-коллектор и база–эмиттер. Они улучшают эмиссию спин-поляризованных электронов из ФФМ в базу, и их "вытягивание" электрическим полем из базы в коллектор.
Схема применения такого транзистора "с общим эмиттером" показана на рис. 1.7 . Стрелками на выводах эмиттера и коллектора условно показано, в каком из них ферромагнетик является фиксированным (↑), а в каком – свободным (↑ ↓). Выходная характеристика такого транзистора тоже зависит от внешнего магнитного поля. Как и предыдущие варианты транзистора, он имеет внутреннюю энергонезависимую память.
(рис 1.7) Схема включения спин-транзистора с полупроводниковой базой в варианте "с общим эмиттером"
Еще в 1990 г. был описан один из вариантов
(рис 1.8) Структура спинового полевого транзистора
Она похожа на структуру МДП транзистора, но исток и сток сделаны из ферромагнитных материалов, намагниченных в одинаковом направлении. Они соединены тонким каналом инверсной проводимости, через который проходят инжектированные из ферромагнетика электроны, у большинства из которых спин ориентирован параллельно намагниченности ферромагнетика. Как и в МДП транзисторе, величина тока сквозь канал зависит от напряжения на затворе. Если один из ферромагнетиков сделать "свободным", то электрическим током стока можно управлять также и с помощью внешнего магнитного поля. На зависимости тока от напряженности магнитного поля наблюдается гистерезис (как на рис. 1.4). И у транзистора, как было описано выше, появляется внутренняя магнитная память.
Однако здесь открылась еще одна интересная возможность. Если электрическое сопротивление канала достаточно велико, то между истоком и стоком можно приложить значительное напряжение, которое будет ускорять электроны, движущиеся вдоль канала. Когда они достигают скорости v > 106 м/с, становится ощутимым релятивистский эффект. Ведь в собственной системе отсчета электрона приложенное к затвору напряжение создает не только электрическое поле с напряженностью E , но и (в соответствии с теорией относительности) перпендикулярное к нему магнитное поле H, пропорциональное векторному произведению $$$ {[{\overrightarrow{v} \times \overrightarrow{E}}]} $$$. Это магнитное поле, направленное перпендикулярно к плоскости изображения, действует на электроны, и может поворачивать их спины. Если направление намагниченности ферромагнетиков лежит в плоскости изображения, то магнитный момент электронов поворачивается тоже в этой плоскости, как показано на рис. 1.8 справа (кружочек с точкой в центре показывает ориентацию вектора напряженности магнитного поля H). В случае, когда электроны долетают до стока со спинами, повернутыми на 180 °, они не проходят сквозь ферромагнетик стока, и ток сквозь транзистор резко уменьшается. В промежуточных случаях ток стока является периодической функцией напряжения на затворе.
(рис 1.9) Структура спинтронного реле: 1 – первый магнитный туннельный переход (МТП); 2 – входная шина; 3 –внешний источник тока; 4 – выходная шина; 5 – внешний источник напряжения; 6 – второй МТП
Зависимость выходного тока (ІВЫХ.1) от входного (ІВХ) показана на рис. 1.10 .
(рис 1.10) Статическая выходная характеристика спинтронного реле
Пусть в исходном состоянии "свободный" и "фиксированный" ферромагнетики МТП намагничены в одинаковом направлении, электрическое сопротивление МТП мало и выходной ток ІВЫХ.1 значительный (точка 1 на характеристике). Если увеличивать входной ток, то возрастает и создаваемое им магнитное поле. Когда оно достигает значения коэрцитивной силы "свободного" ферромагнетика (точка 2), то последний перемагничивается в противоположное направление, электрическое сопротивление МТП резко возрастает, и выходной ток уменьшается. В дальнейшем это состояние (точка 3) запоминается. Лишь в том случае, если во входную шину подать ток противоположного направления и увеличивать его, то при достижении критического значения (точка 4) "свободный" ферромагнетик перемагничивается в противоположное направление, электрическое сопротивление МТП уменьшается, и выходной ток резко возрастает. Это состояние (точка 5) тоже запоминается.
Такое поведение больше похоже на поведение хорошо забытых электромеханических реле, которые являлись основой всей электроавтоматики во второй четверти ХХ в. Поэтому описанное устройство мы будем называть не "спин-транзистором", а
Благодаря внешнему источнику напряжения 5 (возвращаемся к рис. 1.9 ) выходной ток (ІВЫХ.1) может быть больше, чем входной ток (ІВХ). Вынесенная выходная шина 4 может быть входной шиной следующего МТП (6), который может быть по своим размерам крупнее и, следовательно, может пропускать ток еще больший. На выходе этого „второго каскада" можно получить электрический ток в сотни раз больше „управляющего" входного тока (ІВХ).
Работу спинтронного реле в динамике показывает рис. 1.11 . Главным показателем здесь является время переключения tП, которое характеризует скорость срабатывания реле. В зависимости от сопротивления и паразитных емкостей соединений это время может составлять от десятков пикосекунд до десятков наносекунд.
(рис 1.11) Работа спинтронного реле в динамике – зависимость выходного электрического тока реле от времени
Если над входной шиной 2 ( рис. 1.9 ) разместить еще одну независимую входную шину, то можно реализовать логические функции "", "$$$\vee$$$" и прочие. А если на выходе последовательно включить две выходные шины 4, то можно разветвлять логические цепи. Соответствующие логические схемы мы описывать не будем, поскольку, скорее всего, они не являются оптимальными "спинтронными" схемами. Ведь схемотехника спинтроники продолжает активно развиваться.
Степень спин-поляризации может быть положительной (когда $$$\mathit{i_{\uparrow} > i_{\downarrow}}$$$ ) или отрицательной (когда $$$\mathit{i_{\uparrow}}$$$ < $$$\mathit{i_{\downarrow}}$$$ ). Когда электрический ток полностью переносится лишь электронами со спином, ориентированным вдоль магнитного поля, тогда степень его поляризации = 100%. Когда же электрический ток переносится лишь электронами со спином, ориентированным против магнитного поля, тогда степень его поляризации = –100%. В ферромагнитных металлах типа железа, кобальта, никеля степень спин-поляризации положительна и составляет при комнатной температуре 10-50%.
Свыше 100 лет электроника имела дело лишь с не поляризованными электрическими токами, для которых P=0.
В последнее время стало формироваться понятие
Здесь $$$ {\Delta S}$$$ суммарный спин, который переносится через поперечное сечение проводника за время $$$ {\Delta t}$$$. Поскольку спин является безразмерной квантово-механической величиной, то спин-ток по определению (12.3) должен измеряться в единицах "1/с". Но эта единица отличается от такой единицы, как "Герц", хотя размерность их одинакова. Название для единицы спин-тока еще не установлено и не узаконено.
Для современных применений спинтроники важно то, что одновременно со спином переносится и магнитный момент. Поэтому более важным для практики является понятие
Здесь $$$ {\Delta M}$$$ – магнитный момент, переносимый через поперечное сечение проводника за время $$$ {\Delta t}$$$. Поскольку единицей магнитного момента в системе СИ является "Дж/Тл", то единицей магнитного спин-тока является "Дж/(Тл*с)" или "Вт/Тл".
Соотношение между магнитным спин-током $$$ {i_{MS}}$$$ и спин-током $$$ {i_S}$$$ вытекает из того, что магнитный момент, переносимый электроном проводимости, равен магнетону Бора $$${\mu_Б = 9,274096*10^{-24}}$$$ Дж/Т, а спин, переносимый электроном проводимости, равен $$$\frac23$$$. Поэтому $$$ {{\frac {\Delta M} {\Delta t}} : {\frac {\Delta S} {\Delta t}} = \mu_Б:\frac12=2\mu_Б }$$$, откуда $$$$ {i_{MS}=2\mu_Б i_S} $$$$
Можно найти соотношение между спин-поляризованным электрическим током i со степенью поляризации P и соответствующим ему магнитным спин-током $$$\mathit{i_{MS}}$$$. В самом деле, ток $$$\mathit{i_{\uparrow}}$$$ означает, что через поперечное сечение проводника каждую секунду проходят $$$$ {n_{\uparrow}= {\frac {i_{\uparrow}} {e} }} $$$$ электронов со спином, ориентированным вдоль магнитного поля (e – электрический заряд электрона). Поскольку электроны имеют отрицательный электрический заряд, то они движутся в направлении, противоположном направлению тока. Каждый из них переносит магнитный момент $$$ \mathit{\mu_Б}$$$; следовательно, электрическому току соответствует магнитный спин-ток $$$$ {i_{MS\uparrow}= -n_{\uparrow}\mu_Б = - {\frac {i_{\uparrow} } {e}\mu_Б}. $$$$ Аналогично, электрическому току $$$\mathit{i_{\downarrow}}$$$ соответствует магнитный спин-ток $$$$ {i_{MS\downarrow}= n_{\downarrow}\mu_Б = {\frac {i_{\downarrow} } {e}\mu_Б}, $$$$ так как каждый электрон этого тока переносит магнитный момент - $$$ \mathit{\mu_Б}$$$ в направлении, противоположном направлению тока. Суммарный магнитный спин-ток, соответствующий спин-поляризованному току $$$ \mathit{i=i_{\uparrow}+i_{\downarrow}}$$$, равен $$$$ {i_{MS}= {i_{MS\uparrow} + {i_{MS\downarrow} = - {\frac {i_{MS\uparrow} - i_{MS\downarrow}} {2e}} \mu_Б} $$$$ Из формулы (1.1) вытекает, что $$$i_{\uparrow}+i_{\downarrow} = iP/100\%$$$. Таким образом, получаем следующие соотношения между спин-поляризованным электрическим током i со степенью поляризации P и соответствующим ему магнитным спин-током:
$$$$ {i_{MS}={\frac {-i \mu_Б P} {e*100\%} } $$$$Если подставить известные значения $$$\mathit{e}$$$ и $$$\mathit{\mu_Б}$$$, то в системе СИ получаем $$$$ { 1,7254*10^4 i_{MS}=-iP/100\%} $$$$ где электрический ток задают в амперах, а магнитный спин-ток – в единицах "Вт/Тл".
Полностью поляризованному электрическому току в 1 А соответствует магнитный спин-ток $$$$ {i_{MS}={-\frac {1 A*100\%} {1,7254*10^4*100\%}} \approx -5,8*10^{-5} Вт/Тл \approx -58 мкВт/Тл. } $$$$
Тот факт, что при протекании спин-поляризованного электрического тока одновременно происходит и перенос спинов, а, следовательно, и намагниченности, означает возможность перемагничивания ферромагнитного слоя при пропускании спин-поляризованного электрического тока. Экспериментальная структура, демонстрирующая такую возможность, состоит ( рис. 1.12 ) из нанесенного на подложку "свободного" ферромагнитного слоя (СФМ), на левом и на правом концах которого нанесены участки "фиксированного" ферромагнитного слоя.
(рис 1.12) Схема перемагничивания "свободного" ферромагнитного слоя посредством пропускания спин-поляризованного электрического тока
Слева этот слой (ФФ1) постоянно намагничен вертикально вниз, а справа (ФФ2) – вертикально вверх (направления намагниченности показаны белыми стрелками). Соответственно намагничиваются и расположенные под ними области "свободного" слоя. Между "свободным" и магнитожестким "фиксированным" слоем нанесен промежуточный слой (ПС). Все слои являются электропроводящими.
Над участками "фиксированного"" слоя сформированы электроды (Эл1 и Эл2). Если со стороны электрода Эл2 пропускать электрический ток i справа налево ( рис. 1.12,а ), то электроны в "свободном" слое движутся слева направо. Поскольку большинство из них, выходя из ФФ1, имеет спин, направленный вниз, то они переносят и направленный вниз магнитный момент, в результате чего область "свободного" слоя между ФФ1 и ФФ2 намагничивается вниз. Физически это выглядит как движение направо междоменной стенки ДС. Если же пропускать электрический ток i со стороны электрода Эл1 слева направо ( рис. 1.12,б ), то электроны через "свободный" слой движутся справа налево. Поскольку большинство из них имеет спин, направленный вверх, то они переносят и направленный вверх магнитный момент, в результате чего область "свободного" слоя между ФФ1 и ФФ2 перемагничивается также вверх. Физически это выглядит как движение междоменной стенки (ДС) влево.
Спин-поляризованный электрический ток переносит одновременно и электрический заряд, и спин. А возможен ли
(рис 1.13) Схема для пропускания сквозь участок EF "чистого" спин-тока i_s: A, B, C, D – магнитные туннельные переходы
Это – изображение ферромагнитной структуры в плане. Светло-серым цветом показаны участки "свободного" ферромагнетика. Темные квадратики – это участки "фиксированного" ферромагнетика, нанесенные поверх "свободного". Между этими ферромагнитными слоями созданы туннельные переходы из сверхтонкого диэлектрика. Направления постоянной намагниченности участков "фиксированного" ферромагнетика показаны белыми стрелками.
Если на магнитные туннельные переходы подать электрическое напряжение, то через них потечет электрический ток: $$$\mathit{i_{\uparrow}}$$$ – от участка C к участку D и $$$\mathit{i_{\downarrow}}$$$ – от участка A к участку B, так как для этих токов туннельные переходы "открыты". А вот для тока $$$\mathit{i_{\downarrow}}$$$ от участка A к участку D туннельный переход закрыт (из-за противоположной намагниченности участка D). Аналогично закрыт для тока $$$\mathit{i_{\uparrow}}$$$ туннельный переход к участку B от участка C. Поскольку все элементы схемы идентичны, то эти токи одинаковы по величине, но противоположно направлены ( $$$\mathit{i_{\uparrow}=-i_{\downarrow} ; |i_{\uparrow}| = |i_{\downarrow}| = i}$$$ ). Поэтому на участке EF суммарный электрический ток равен нулю ($$$\mathit{i_{\uparrow} + i_{\downarrow} = 0}$$$). А вот спин-токи сонаправлены. Току $$$\mathit{i_{\uparrow}}$$$ согласно (1.7) соответствует магнитный спин-ток $$${i_{MS\uparrow}= - {\frac {i_{\uparrow}} {e }}\mu_Б$$$ и току $$$\mathit{i_{\downarrow}}$$$ согласно (1.8) – магнитный спин-ток $$${i_{MS\downarrow}= - {\frac {i_{\downarrow}} {e }}\mu_Б$$$. Суммарный спин-ток (если считать направление вправо положительным) $$$$ {i_{MS}= i_{MS\uparrow} - i_{MS\downarrow} = - {\frac {i} {e} } \mu_Б $$$$ Следовательно, сквозь участок EF будет протекать "чистый" спин-ток, переносящий спин и магнитный момент от E к F, но не переносящий электрический заряд.
Продолжим наш анализ дальше и рассмотрим ситуацию с другой стороны. Поскольку на участке EF электрический ток равен нулю, то от туннельного перехода A электрический ток течет в туннельный переход D. Электроны движутся в противоположном направлении. Из туннельного перехода D в участок AD проходят электроны, спины которых в основном направлены вверх, а через туннельный переход A из этого участка выходят электроны, спины которых в основном направлены вниз. В результате в окрестности точки E концентрация электронов со спином вверх возрастает, а концентрация электронов со спином вниз уменьшается. Аналогичные, но противоположные, процессы проходят и на участке СВ. В результате в окрестности точки F концентрация электронов со спином вверх уменьшается, а концентрация электронов со спином вниз возрастает. Это приводит к тому, что от точки Е (область с большей концентрацией) к точке F (область с меньшей концентрацией) происходит диффузия электронов со спином вверх, а в противоположном направлении диффундируют электроны со спином вниз. Отсюда вытекает важный вывод:
Этот вывод справедлив и для не ферромагнитных проводников, что показывает следующий опыт ( рис. 1.14 ). На поверхности медной шины (Cu) сформированы ферромагнитные элементы (ФМ1 и ФМ2), а на них нанесены золотые электроды (Аu). Отметим, что этот опыт лучше всего удается лишь тогда, когда все три металлических слоя (медь, пермаллой и золото) наносят последовательно в одном и том же высоком вакууме. Лишь при этих условиях удается обеспечить высокое качество контактов. Когда эти слои наносят в разных вакуумных циклах, опыт удается плохо, так как в контактах появляются окислы и посторонние примеси, которые значительно ухудшают условия инжекции спин-поляризованных электронов. С помощью источника напряжения (U1) через ферромагнитный элемент ФМ1 пропускают электрический ток. Электроны движутся навстречу току, поэтому из ферромагнитного элемента ФМ1 в медную шину переходят электроны со спинами, ориентированными в направлении его намагниченности. Под поверхностью элемента в медной шине возникает повышенная концентрация спин-поляризованных электронов.
(рис 1.14) Схема наблюдения диффузионного спин-тока в немагнитном проводнике
На рисунке: Cu – медная шина; Аu – золотые электроды; ФМ1 и ФМ2 – ферромагнитные элементы; μV – измеритель напряжения; μA – измеритель тока
Белыми прерывистыми стрелками показаны направления их диффузии – в обе стороны от места инжекции. Это и есть „чистый" спин-ток. „Чистый" потому, что электрический ток при этом не возникает, так как такое же количество не поляризованных электронов (с произвольной ориентацией спинов) диффундируют навстречу. Ферромагнитный элемент ФМ2 выполняет здесь функцию детектора спин-тока. При наличии спин-тока между его золотым электродом и медной шиной возникает небольшая разность потенциалов (U2), требуемая для того, чтобы автоматически компенсировать электрический заряд электронов, переносимых спин-током. При малых значениях разность потенциалов U2 пропорциональна электрическому току, протекающему сквозь „инжектор". Разность потенциалов U2 существенно различается в случаях, когда направления намагниченности ФМ1 и ФМ2 совпадают и когда они противоположны. Это и позволяет определить, какой именно спин (вверх или вниз) переносится спин-током. При уменьшении расстояния между ФМ1 и ФМ2 спин-ток возрастает, при увеличении – быстро уменьшается. В опытах японских ученых при расстоянии 270 нм спин-ток оказался достаточным даже для того, чтобы перемагнитить детектор (ФМ2), когда толщина ферромагнетиков была уменьшена до 4 нм.
Разность в концентрации спин-ориентированных электронов по аналогии с понятием электродвижущей силы (ЭДС) можно назвать
Приведем еще один интересный пример возникновения СДС ( рис. 1.15 ). Если взять намагниченную ферромагнитную палочку и нагреть один ее конец, то диффузия электронов из нагретого конца будет активнее, чем диффузия с холодного конца. В обычном проводнике это приводит к возникновению термо-ЭДС. Но ведь в ферромагнитном проводнике спины электронов ориентированы преимущественно в направлении намагниченности. Поэтому во время диффузии электронами переносится не только электрический заряд, но и спин.
(рис 1.15) Возникновение спин-движущей силы в ферромагнитном проводнике при нагревании одного из его концов
В результате возле холодного конца концентрация электронов со спинами, ориентированными в направлении намагниченности, повышается. Благодаря этому возникает термо-СДС. В стационарных условиях она поддерживается за счет энергии источника тепла и устанавливается на таком уровне, чтобы спин-ток, вызванный термо-СДС, в точности соответствовал диффузионному потоку электронов от нагретого конца к холодному.
Теперь пришло время рассмотреть детальнее, что происходит на контакте ферромагнетика с нормальным (не ферромагнитным) проводником (рис. 1.16 ).
(рис 1.16) Слева – схема инжекции спин-поляризованного тока из ферромагнетика (ФМ) в немагнитный проводник (НП); справа – зависимость намагниченности от координаты
Когда к контакту не приложено внешнее электрическое напряжение, происходит обычная тепловая диффузия электронов. Из-за того, что концентрация электронов проводимости в нормальном проводнике (НП) обычно выше, чем в ферромагнетике (ФМ), в последний сначала диффундирует больше электронов, чем в обратном направлении. Поэтому прилегающая к контакту зона ферромагнетика заряжается отрицательно до тех пор, пока потоки электронов в обе стороны не уравняются. Тогда наступает динамическое равновесие. Спины "избыточных" электронов, которые пришли из нормального проводника в ферромагнетик, ориентируются здесь в направлении намагниченности ФМ. Благодаря этому намагниченность прилегающей к контакту зоны ФМ несколько возрастает. В прилегающей к контакту зоне нормального проводника из-за наличия магнитного поля от ФМ оказывается несколько большей концентрация электронов с ориентацией спинов, как в ФМ. Поэтому указанная зона немного намагничивается. Зависимость намагниченности (М) от координаты в зоне контакта показана на рис. 1.16 справа пунктирной линией. Такой же характер имеет и зависимость от координаты (сплошная линия) разности концентраций электронов со спинами, ориентированными "вверх" и "вниз" ($$${\Delta n_{\uparrow} = n_{\uparrow}-n_{\downarrow}}$$$).
Когда к контакту приложено внешнее электрическое напряжение (U) такое, что электрический ток течет из НП в ФМ, электроны из ФМ со спинами, ориентированными преимущественно "вверх", инжектируются в НП. Плотность потока инжекции (- j , поскольку он противоположен направлению тока) показана на рис. 1.16 слева черной стрелкой. Он приводит к тому, что концентрация электронов с ориентированными вверх спинами в зоне НП, прилегающей к контакту, резко возрастает. Это явление называют аккумуляцией или накоплением спинов. Под действием электрического поля эти электроны дрейфуют направо, из-за чего в нормальном проводнике течет уже спин-поляризованный ток. Это и называют инжекцией спин-поляризованного тока В ходе своего теплового движения и дрейфа электроны с ориентированными вверх спинами рассеиваются на фононах и на дефектах кристалла и в результате рассеяний изменяют ориентацию своего спина. Этот процесс называют спиновой релаксацией Он характеризуется средним временем релаксации спинов tCP и длиной диффузии спин-поляризованных электронов λC – расстоянием, на котором концентрация указанных электронов уменьшается в e ≈ 2,73 раза. Среднее время релаксации спинов при комнатных температурах составляет порядка 1-100 нс.
На рис. 1.16 показан случай "прямой" или "фронтальной" инжекции спин-поляризованного тока. А на рис. 1.14 мы рассматривали случай "боковой" инжекции, когда электрический ток течет параллельно плоскости контакта ФМ–НП. В этом случае инжектированные спин-поляризованные электроны практически не принимают участие в переносе электрического заряда вдоль проводника, так как в нем для этого более чем достаточно "своих", не спин-поляризованных, носителей заряда. В этом случае и наблюдается "чистый" спин-ток, который тоже уменьшается практически до нуля на расстояниях порядка (2-3) λC от источника спин-поляризованных электронов.
Рассмотрим теперь, что происходит на контакте ферромагнетика с полупроводником (рис. 1.17). Поскольку концентрация носителей заряда в полупроводнике намного меньше, чем в ферромагнитном металле, то из последнего в полупроводник диффундируют намного больше электронов. Динамическое равновесие устанавливается лишь тогда, когда на контакте сформируется значительный потенциальный барьер – "барьер Шоттки" (рис. 1.17,a). Из-за этого в области полупроводника, прилегающей к контакту, имеет место значительное искривление зон (валентной, запрещенной и зоны проводимости).
(рис 1.17) Зонные диаграммы контактов ферромагнетик (ФМ) – полупроводник (П): (а) при отсутствии напряжения; (б) при наличии напряжения. (в) Зонная диаграмма структуры ФМ – Т – П (Т – туннельный переход);
На рисунке: EB – верхний край валентной зоны; EП – нижний край зоны проводимости; EФ – уровень Ферми
Когда к контакту приложено небольшое напряжение U ("+" к полупроводнику), мало что изменяется. Сквозь барьер Шоттки электрический ток не течет до тех пор, пока напряжение не достигнет величины, близкой к высоте барьера. Тогда становится возможным туннелирование электронов сквозь узкий барьер (рис. 1.17,б).
Поляризованные электроны из ферромагнетика входят в полупроводник с энергией, намного превышающей тепловую. Такие "горячие" электроны очень интенсивно рассеиваются и быстро теряют ориентацию своих спинов. Поэтому инжекция спин-поляризованного электрического тока из ферромагнитного металла в полупроводник оказывается очень неэффективной.
Более эффективным в этом плане оказалась структура "ферромагнитный металл – туннельный переход – полупроводник" (рис. 1.17,в). Искривление зон в полупроводнике, отделенном от металла диэлектриком, незначительно. Если толщина диэлектрика очень мала (~1 нм), то уже при небольших напряжениях начинается туннелирование. Инжектированные спин-ориентированные электроны входят в полупроводник не такими "горячими", как в случае барьера Шоттки. И поэтому время их спин-релаксации значительно больше. Именно поэтому, например, в спин-транзисторе с полупроводниковой базой (рис. 1.6) между полупроводником и ферромагнетиками используют сверхтонкие туннельные переходы (на рис. 1.6 – из нитрида кремния).
Используя сверхтонкий туннельный переход, в 2007 г. на примере спин-транзистора, структура которого показана на рис. 1.18, было установлено, что инжектированные в высокочистый кремний спин-поляризованные электроны могут иметь довольно большое время спин-релаксации и диффундировать на значительные (в масштабах нано- и даже микромира) расстояния – до 350 мкм
(рис 1.18) Структура, схема подключения экспериментального спин-транзистора на кремнии и соответствующая энергетическая диаграмма
На пластину высокочистого кремния (Si(пл.)) толщиной 350 мкм сверху был нанесен слой металлизации (Al/Cu) толщиной 10 нм, сверхтонкий туннельный слой Al2O3, слой ферромагнетика (CoFe) толщиной 10 нм и металлизация из алюминия (Al). Эта структура выполняла роль эмиттера спин-поляризованных электронов. Снизу на пластину кремния (Si(пл.)) были нанесены слои ферромагнетика (NiFe) и меди (Cu) оба толщиной 4 нм. На последнем был выращен слой кремния n-типа (n-Si) и омический контакт из индия (In).
Когда на эмиттер подавалось напряжение UЭ, из ферромагнетика (CoFe) в кремний через сверхтонкий туннельный барьер (Al2O3 и тонкий слой металлизации (Al/Cu) инжектировались электроны проводимости со спинами, ориентированными в направлении намагниченности ферромагнетика. Под действием напряжения UК1, приложенного к коллекторному слою ферромагнетика (NiFe), эти электроны дрейфуют сквозь пластину кремния. Время их спин-релаксации и длина диффузии оказались достаточными, чтобы заметная их часть прошла к коллектору. Направление ориентации спинов можно было определить, изменяя направление намагниченности "свободного" ферромагнетика. В этом случае ток коллектора резко уменьшался. Слой кремния n-типа (n-Si) использовался для дополнительного усиления и более точного измерения сигналов [Huang B., Monsma D.J., Appelbaum I. // Physical Review Letters. – 2007. – V. 99. - 177209].
Туннельный переход, улучшая условия инжекции спин-поляризованного тока в полупроводник, все же создает повышенное электрическое сопротивление и требует увеличенных рабочих напряжений. Поэтому ученые обратили особое внимание на возможную альтернативу – на использование в качестве источника спин-поляризованного тока не металлических, а полупроводниковых ферромагнетиков – т.н.
В последние два десятилетия ХХ в. интенсивно изучались т.н. "разбавленные магнитные полупроводники" (РМП, англ. diluted magnetic semiconductors, DMS). Это – классические полупроводники типа A2B6 и A3B5, сильно, до максимально возможной растворимости, легированные атомами переходных ("магнитных") металлов, чаще всего марганца (Mn – поскольку он имеет наибольшую растворимость). Обменное взаимодействие электронов из частично заполненных d- и f- оболочек магнитных ионов с зонными носителями заряда основного полупроводника существенно изменяет свойства последнего и приводит к появлению не только ферромагнетизма, но и многих новых явлений, которые могут быть перспективными для практических применений. Однако у большинства таких РМП температура Кюри оказалась ниже комнатной (напр., у Ga0,95Mn0,05SbTK = 110-250 K – в зависимости от технологии изготовления; у Ga0,95Mn0,05Sb TK = 80 K). И только у широкозонных полупроводников температура Кюри оказалась выше комнатной (у Ga1-xMnxN, напр., TK = 400 K). У GaN, легированного гадолинием (магнитный момент его атома равен 8 магнетонам Бора), тонкие пленки становятся ферромагнитными даже в случае, когда один атом гадолиния приходится почти на миллион ионов галлия и азота. Позднее оказалось, что, используя дополнительные легирующие элементы (Zn, Cd и др.), можно существенно повысить температуру Кюри также и узкозонных полупроводников (напр., на основе InSb-Mn: Zn, Cd удается получить непрерывный ряд РМП с TK = 320-400 K).
В последнее десятилетие синтезируется и изучается значительно более широкий спектр магнитных полупроводников. Ферромагнитные свойства при температурах выше комнатной выявлены даже у таких классических полупроводников, как кремний и германий, легированных марганцем или другими „магнитными" атомами. Здесь многое зависит от технологии легирования и от применения дополнительных легирующих элементов.
На контакте ферромагнитного полупроводника с обычным полупроводником такого же типа проводимости не возникает значительных барьеров (рис. 1.19,а,б). Если ФП и обычный полупроводник имеют разные типы проводимости, то возникает р-п-переход, прохождение электрического тока сквозь который возможно лишь в одном направлении (рис. 1.19,в,г). На рис. 1.19 кроме валентных зон (EВ1 и EВ2) и зон проводимости (EП1 и EП2) условно показаны также зоны d- и f- электронов (Efd), которые обычно также присутствуют в ферромагнитных полупроводниках. В зависимости от их положения относительно уровня Ферми (EФ) они могут быть частично или полностью заполненными. Даже если они заполнены частично, электропроводность по таким зонам ограничена, так как f- и d- электроны имеют малую подвижность (большую эффективную массу).
Инжекция в полупроводник спин-поляризованного тока из ферромагнитных полупроводников оказалась намного эффективней, чем из ферромагнитных металлов, и степень его спин-поляризации может быть намного выше – вплоть до 100%.
(рис 1.19) Зонные диаграммы контакта ферромагнитный полупроводник (ФП) – полупроводник (П) для случаев, когда (а) оба имеют п-тип проводимости; (б) оба имеют р-тип проводимости; (в, г) ФП и П имеют разные типы проводимости
В последнее десятилетие активно синтезируются и изучаются также ферромагнитные полупроводниковые нанокомпозитные материалы, в состав которых входят магнитные структуры с пониженной размерностью – наночастицы, ферромагнитные нанопроволоки, сверхтонкие ферромагнитные пленки, представляющие собой квантовые плоскости. Температуры Кюри для таких нанокомпозитных полупроводников могут существенно отличаться от температуры Кюри соответствующего „чистого" полупроводника. Кроме того, появляются возможности значительно изменять свойства системы с помощью внешнего магнитного поля
Используя эти достижения, удалось создать, например, прототипы
При поглощении циркулярно поляризованного света действуют те же самые правила отбора. В результате этого атомы, поглощающие циркулярно поляризованный фотон, переходят в состояния с магнитным квантовым числом, отличающимся на ±1 от исходного состояния. В ряде новейших технологий, о которых мы здесь не рассказываем, это свойство циркулярно поляризованного света используется для "оптического намагничивания" ансамблей атомов или для их "оптической накачки" – создания инверсной заселенности возбужденных состояний атомов.
(рис 1.20) Динамика вращения электрического вектора в циркулярно поляризованной электромагнитной волне
Излучение спинтронных светодиодов можно модулировать с очень высокой частотой с помощью как электрических, так и магнитных воздействий. Преимуществом такого света как переносчика информации является то, что информацию здесь можно кодировать не только амплитудой, частотой или фазой, но и направлением циркулярной поляризации.
Структура прототипа
Если наночастицы MnAs с помощью внешнего магнитного поля перемагнитить в направлении, противоположном направлению намагниченности магнитожесткого слоя MnAs (ферромагнетик с фиксированной намагниченностью), то за счет инжекции из него через туннельный переход спин-поляризованных электронов на внешних выводах возникает электрическое напряжение. Если замкнуть внешнюю электрическую цепь, то к ферромагнитным наночастицам MnAs "потекут" электроны, спины которых ориентированы в направлении намагниченности "фиксированного" ферромагнетика. Эти электроны, накапливаясь, приводят к постепенной переориентации ферромагнитных наночастиц. Если внешнюю цепь разомкнуть, то ток прекращается, а вместе с ним прекращается и перемагничивание ферромагнитных наночастиц.
(рис 1.21) Структура прототипа спинового аккумулятора
Протекание тока в замкнутой внешней цепи поддерживается за счет энергии неравновесного намагничивания наночастиц. Когда все ферромагнитные наночастицы перемагничиваются в направлении намагниченности "фиксированного" ферромагнетика, ток прекращается. Для восстановления работы аккумулятора, ферромагнитные наночастицы надо снова перемагнитить в противоположном направлении. Таким образом,
При своих перемещениях электроны переносят не только электрический заряд, но и свой спин. Магниторезистивные считывающие головки и магниторезистивная оперативная память стали первыми реальными воплощениями спинтроники – нового раздела электроники, в котором используются явления спин-зависимого переноса электрического заряда и переноса спина. Переворот спина не связан со значительными затратами энергии и происходит за несколько пикосекунд. При изменении направления спина кинетическая энергия электрона не изменяется, и это практически не приводит к выделению тепла. Поэтому спинтронные элементы информатики, построенные из них устройства и системы могут иметь высокое быстродействие при затратах значительно меньшей энергии, чем в случае обычных электронных элементов.
Разработаны и изучаются уже много спинтронных элементов: спиновый клапан, спин-вентильный транзистор, туннельный спин-вентильный транзистор, спин-транзистор с полупроводниковой базой, спиновый полевой транзистор, спинтронное реле. Активно развивается схемотехника спинтроники.
В результате осознания важности явления спин-зависимого переноса электронов сформировалось понятие "спин-поляризованного" электрического тока. Это – электрический ток, при котором одновременно с переносом электрического заряда переносится и спин. Такой ток характеризуют "степенью спин-поляризации". Свыше 100 лет электроника имела дело лишь с не поляризованными электрическими токами. Теперь начало формироваться также понятие "спин-тока" или "спин-транспорта". Аналогично определению электрического тока, спин-ток определяется как суммарный спин, который переносится через поперечное сечение проводника за единицу времени.
Особенно важным для практики стало понятие магнитного спин-тока, который определяется как магнитный момент, переносимый через поперечное сечение проводника за единицу времени. Между спин-поляризованным электрическим током i со степенью поляризации P и соответствующим ему магнитным спин-током $$$\mathit{i_{MS}}$$$ существует соотношение $$ $ 1,7254*10^4\mathit{i_{MS} = -iP/}100\%$ $$ где i задают в амперах, а магнитный спин-ток – в единицах "Вт/Тл".
Перенос магнитного момента при протекании спин-поляризованного электрического тока является основой метода спин-транспортного перемагничивания (СТП) ферромагнетиков. Этот метод позволил на порядок уменьшить ток записи в магниторезистивную оперативную память и значительно уменьшить площадь магниторезистивных ячеек.
Опыты доказали возможность протекания "чистого" спин-тока, который переносит спин, но не переносит электрический заряд. "Чистый" спин-ток возникает тогда, когда в проводнике появляется градиент концентрации спин-поляризованных электронов. Разность в концентрации спин-поляризованных электронов по аналогии с понятием электродвижущей силы (ЭДС) можно назвать "спин-движущей силой" (СДС). Как и ЭДС, СДС может стационарно поддерживаться лишь за счет работы какой-то "сторонней силы".
При контакте ферромагнетика (ФМ) с нормальным (не ферромагнитным) проводником в прилегающей области нормального проводника несколько повышается концентрация электронов с ориентацией спинов в соответствии с намагниченностью ФМ. Поэтому эта область тоже слегка намагничивается. Когда к контакту приложено внешнее электрическое напряжение такое, что электроны из ФМ инжектируются в нормальный проводник, сквозь последний течет спин-поляризованный ток. Концентрация электронов с ориентированными спинами в области, прилегающей к контакту, резко возрастает. Это называют "аккумуляцией" или "накоплением" спинов. В ходе своего теплового движения и дрейфа электроны с ориентированными спинами в результате рассеяний изменяют ориентацию своего спина. Этот процесс называют "спиновой релаксацией". Он характеризуется средним временем релаксации спинов и длиной диффузии спин-поляризованных электронов.
При контакте ферромагнетика с полупроводником тоже имеет место инжекция спин-поляризованного электрического тока, но она оказывается очень неэффективной. Более эффективным в этом плане оказался контакт "ферромагнитный металл – туннельный переход – полупроводник", хотя и его эффективность не очень высока. Длина диффузии спин-поляризованных электронов в кремний оказалась довольно значительной – свыше 100 мкм.
В последние десятилетия синтезируется и изучается широкий спектр магнитных полупроводников, в частности "разбавленных магнитных полупроводников" (РМП), – легированных марганцем или другими "магнитными" атомами, а также нанокомпозитные ферромагнитные полупроводники, в состав которых входят магнитные структуры пониженной размерности – наночастицы, нанопроволоки или квантовые плоскости из ферромагнетиков. Инжекция в полупроводник спин-поляризованного тока из ферромагнитных полупроводников намного эффективнее, да и степень его спин-поляризации может быть намного выше, – вплоть до 100%.
Используя эти достижения, уже удалось создать, например, спинтронные светодиоды и прототипы спиновых аккумуляторов. Промышленно выпускаются спинтронные светодиоды на основе p-n-перехода в AlGaAs, излучение которых циркулярно поляризовано. Это весьма ценно для ряда высокотехнологических применений и существенно расширяет возможности кодирования информации.
Спиновый аккумулятор запасает энергию в виде намагниченности ферромагнитных наночастиц, которые в процессе эксплуатации постепенно размагничиваются. Для восстановления их надо снова намагнитить в ином направлении. Зарядка такого аккумулятора не требует гальванического контакта. Такие аккумуляторы могут стать эффективным источником электропитания для спинтронных схем, в т.ч. вживляемых в тело человека.
Физики уже свыше 80 лет знают, что электроны, перемещаясь, переносят с собой не только свой электрический заряд, но и свой спин, с которым связаны собственный магнитный момент и механический момент вращения электрона. Однако электроника свыше 100 лет игнорировала этот факт, – сначала потому, что не знала об этом, а затем потому, что в обычных (не ферромагнитных) металлах и полупроводниках одновременно движутся множество электронов проводимости с различными случайными ориентациями спина. Поэтому суммарный среднестатистический перенос спинов практически равен нулю. И специалисты по электронике просто не замечали ни перенос спинов, ни спиновую зависимость характеристик переноса электронов. Даже в не намагниченных ферромагнитных металлах, в которых магнитные моменты разных доменов ориентированы хаотически, перенос спинов был незаметным. Лишь после открытия гигантского, туннельного и колоссального магниторезистивных эффектов "лед тронулся". Описанные выше магниторезистивные считывающие головки, в которых используются особенности электрического тока в ферромагнетиках, и магниторезистивная оперативная память стали первыми реальными воплощениями
Исследования и разработки в области спинтроники ныне переживают настоящий "бум". Он объясняется тем, что переворот спина не связан со значительными затратами энергии и происходит очень быстро – за несколько пикосекунд (10-12 с). При изменении направления спина кинетическая энергия электрона не изменяется, и это практически не приводит к выделению тепла. Поэтому и ожидают, что спинтронные элементы информатики и построенные из них устройства и системы будут иметь сверхвысокое быстродействие при затратах значительно меньшей энергии, чем в случае обычных электронных элементов.
(рис 1.1) Структура спинового клапана (слева) и магнитного туннельного перехода (справа). Белыми стрелками показано направление постоянной намагниченности "фиксированного" ферромагнетика
Основной характеристикой этих спинтронных устройств является зависимость проходного электрического сопротивления устройства или электрического тока, который протекает сквозь него (при постоянном приложенном напряжении), от индукции внешнего магнитного поля. Пример такой характеристики приведен в предыдущем цикле лекций на рис. 11.9 справа.
Логика употребления названия
На основе спинового клапана или магнитного туннельного перехода можно реализовать спинтронную гальваническую развязку двух электрических схем ( рис. 1.2 слева). Когда через шину входа пропускают входной ток (Івх) того или иного направления, то создаваемое им магнитное поле перемагничивает "свободный" ферромагнетик в соответствующем направлении. А от этого зависит величина выходного тока Івых Входная и выходная цепи при этом гальванически развязаны.
(рис 1.2) Структура спинтронной гальванической развязки (слева) и схема оптрона (справа – для сравнения)
Работа такого спинтронного устройства аналогична работе оптоэлектронной гальванической развязки, схема которой показана на рис. 1.2 справа. Входной ток Івх течет здесь через светодиод (СД) оптически связанный с фоторезистором (ФР). От того, излучает ли светодиод, зависит величина выходного тока Івых Но спинтронный аналог при наноразмерах магниторезистивной ячейки работает несравненно быстрее: частота переключений достигает нескольких десятков гигагерц.
Предложено уже много вариантов спинтронных транзисторов. Мы рассмотрим только некоторые из них.
(рис 1.3) Структура спин-вентильного транзистора (слева) и соответствующая энергетическая диаграмма (справа)
"Свободный" ферромагнетик из сплава NiFe имеет коэрцитивную силу приблизительно 400 А/м, а "фиксированный" (из кобальта) – приблизительно 1600 А/м. Не ферромагнитная прослойка и контакт с коллектором выполнены из золота, а контакт с эмиттером (Эм-р) – из платины. На границе раздела между базой и полупроводниками образуются барьеры Шоттки. Барьер Pt–Si приблизительно на 0,1 эВ выше барьера Au-Si. На энергетической диаграмме справа эти потенциалы Шоттки обозначены через φШ1 и φШ2. Вдоль горизонтали отложена потенциальная энергия электронов, вдоль вертикали вниз – координата на перпендикуляре к плоскости слоев. Штриховыми вертикальными линиями обозначены уровни Ферми EФ в эмиттере, в базе и в коллекторе, а через UЭБ и UБК – перепады напряжения между базой и эмиттером и соответственно между базой и коллектором.
Ток IБ из эмиттера в базу подбирают так, чтобы электроны входили в базу перпендикулярно слоям спинового вентиля. Из-за наличия барьера Шоттки в базу могут пройти только "горячие" электроны. В многослойной базе большинство этих электронов ориентируются спинами вдоль направления намагниченности "свободного" ферромагнитного слоя. Дальше они проходят сквозь очень тонкий не магнитный слой золота и попадают в "фиксированный" ферромагнитный слой кобальта. Если ориентация большинства спинов параллельна намагниченности этого слоя, то они проходят сквозь него, а если антипараллельна, то не проходят и образуют ток базы (IБ). После возможных редких рассеяний в базе электроны теряют часть своей кинетической энергии, но потом и набирают ее, ускоряясь благодаря напряжению между базой и коллектором. Многим из них этой энергии достаточно, чтобы пройти сквозь барьер Шоттки на контакте Au-Si . В результате ток коллектора (IК) существенно зависит от взаимной ориентации намагниченности "свободного" и "фиксированного" ферромагнетика. А эту ориентацию можно изменять внешним магнитным полем.
На рис. 1.4 типичная зависимость коллекторного тока (IК) от напряженности внешнего магнитного поля Н. Когда эта напряженность превышает коэрцитивную силу пленки кобальта, направления намагниченности обоих ферромагнитных слоев совпадают, и сквозь спин-вентильный транзистор течет максимальный ток (точка 1). Если Н уменьшать, то немного уменьшается и ток коллектора. Когда Н уменьшится до 0, начнет возрастать в противоположном направлении и достигнет величины коэрцитивной силы "свободного" ферромагнетика (точка 2), тогда слой NiFe перемагничивается в противоположном направлении, вследствие чего коллекторный ток резко падает.
(рис 1.4) Зависимость коллекторного тока спин-вентильного транзистора от напряженности внешнего магнитного поля
Если и дальше увеличивать Н в противоположном направлении, то при достижении значения коэрцитивной силы слоя кобальта (точка 3) начинается перемагничивание этого слоя также в направлении магнитного поля, вследствие чего направления намагниченности обеих ферромагнитных слоев опять совпадают, и коллекторный ток резко возрастает. При больших значениях Н коллекторный ток снова достигает наибольшего значения (точка 4). Если напряженность магнитного поля уменьшать (пунктирная линия), то все повторяется зеркально симметрично (точки 5, 6, 1).
В описанном
(рис 1.5) Эскизная схема и энергетическая диаграмма туннельного спин-вентильного транзистора
Между "свободным" ферромагнетиком (СФМ) и полупроводником образуется барьер Шоттки. Источники напряжения между эмиттером и базой UЭБ и между базой и коллектором UБК вызывают смещение уровней Ферми в эмиттере (EФЭ) и в коллекторе (EФК) относительно уровня Ферми в базе (EФБ). Спин-зависимое туннелирование электронов сквозь пленку изолятора обеспечивает зависимость токов от взаимной ориентации направлений намагничивания "свободного" и "фиксированного" ферромагнетика, а следовательно, и чувствительность транзистора к внешнему магнитному полю. Баллистический характер прохождения электронов проводимости сквозь тонкую базу (ее толщина меньше длины свободного пробега электронов между рассеяниями) обеспечивает высокое быстродействие – до нескольких терагерц. Характер зависимости коллекторного тока IК от напряженности внешнего магнитного поля подобен зависимости, показанной на рис. 1.4 .
Пример
(рис 1.6) Структура спин-транзистора с полупроводниковой базой
Дальше нанесен слой "фиксированного" ферромагнетика (ФФМ), являющегося эмиттером транзистора. Внешние выводы от эмиттера (Э) и от коллектора (К) выполнены из алюминия. Пленки нитрида кремния (Si3N4) выполняют функции туннельных переходов база-коллектор и база–эмиттер. Они улучшают эмиссию спин-поляризованных электронов из ФФМ в базу, и их "вытягивание" электрическим полем из базы в коллектор.
Схема применения такого транзистора "с общим эмиттером" показана на рис. 1.7 . Стрелками на выводах эмиттера и коллектора условно показано, в каком из них ферромагнетик является фиксированным (↑), а в каком – свободным (↑ ↓). Выходная характеристика такого транзистора тоже зависит от внешнего магнитного поля. Как и предыдущие варианты транзистора, он имеет внутреннюю энергонезависимую память.
(рис 1.7) Схема включения спин-транзистора с полупроводниковой базой в варианте "с общим эмиттером"
Еще в 1990 г. был описан один из вариантов
(рис 1.8) Структура спинового полевого транзистора
Она похожа на структуру МДП транзистора, но исток и сток сделаны из ферромагнитных материалов, намагниченных в одинаковом направлении. Они соединены тонким каналом инверсной проводимости, через который проходят инжектированные из ферромагнетика электроны, у большинства из которых спин ориентирован параллельно намагниченности ферромагнетика. Как и в МДП транзисторе, величина тока сквозь канал зависит от напряжения на затворе. Если один из ферромагнетиков сделать "свободным", то электрическим током стока можно управлять также и с помощью внешнего магнитного поля. На зависимости тока от напряженности магнитного поля наблюдается гистерезис (как на рис. 1.4). И у транзистора, как было описано выше, появляется внутренняя магнитная память.
Однако здесь открылась еще одна интересная возможность. Если электрическое сопротивление канала достаточно велико, то между истоком и стоком можно приложить значительное напряжение, которое будет ускорять электроны, движущиеся вдоль канала. Когда они достигают скорости v > 106 м/с, становится ощутимым релятивистский эффект. Ведь в собственной системе отсчета электрона приложенное к затвору напряжение создает не только электрическое поле с напряженностью E , но и (в соответствии с теорией относительности) перпендикулярное к нему магнитное поле H, пропорциональное векторному произведению $$$ {[{\overrightarrow{v} \times \overrightarrow{E}}]} $$$. Это магнитное поле, направленное перпендикулярно к плоскости изображения, действует на электроны, и может поворачивать их спины. Если направление намагниченности ферромагнетиков лежит в плоскости изображения, то магнитный момент электронов поворачивается тоже в этой плоскости, как показано на рис. 1.8 справа (кружочек с точкой в центре показывает ориентацию вектора напряженности магнитного поля H). В случае, когда электроны долетают до стока со спинами, повернутыми на 180 °, они не проходят сквозь ферромагнетик стока, и ток сквозь транзистор резко уменьшается. В промежуточных случаях ток стока является периодической функцией напряжения на затворе.
(рис 1.9) Структура спинтронного реле: 1 – первый магнитный туннельный переход (МТП); 2 – входная шина; 3 –внешний источник тока; 4 – выходная шина; 5 – внешний источник напряжения; 6 – второй МТП
Зависимость выходного тока (ІВЫХ.1) от входного (ІВХ) показана на рис. 1.10 .
(рис 1.10) Статическая выходная характеристика спинтронного реле
Пусть в исходном состоянии "свободный" и "фиксированный" ферромагнетики МТП намагничены в одинаковом направлении, электрическое сопротивление МТП мало и выходной ток ІВЫХ.1 значительный (точка 1 на характеристике). Если увеличивать входной ток, то возрастает и создаваемое им магнитное поле. Когда оно достигает значения коэрцитивной силы "свободного" ферромагнетика (точка 2), то последний перемагничивается в противоположное направление, электрическое сопротивление МТП резко возрастает, и выходной ток уменьшается. В дальнейшем это состояние (точка 3) запоминается. Лишь в том случае, если во входную шину подать ток противоположного направления и увеличивать его, то при достижении критического значения (точка 4) "свободный" ферромагнетик перемагничивается в противоположное направление, электрическое сопротивление МТП уменьшается, и выходной ток резко возрастает. Это состояние (точка 5) тоже запоминается.
Такое поведение больше похоже на поведение хорошо забытых электромеханических реле, которые являлись основой всей электроавтоматики во второй четверти ХХ в. Поэтому описанное устройство мы будем называть не "спин-транзистором", а
Благодаря внешнему источнику напряжения 5 (возвращаемся к рис. 1.9 ) выходной ток (ІВЫХ.1) может быть больше, чем входной ток (ІВХ). Вынесенная выходная шина 4 может быть входной шиной следующего МТП (6), который может быть по своим размерам крупнее и, следовательно, может пропускать ток еще больший. На выходе этого „второго каскада" можно получить электрический ток в сотни раз больше „управляющего" входного тока (ІВХ).
Работу спинтронного реле в динамике показывает рис. 1.11 . Главным показателем здесь является время переключения tП, которое характеризует скорость срабатывания реле. В зависимости от сопротивления и паразитных емкостей соединений это время может составлять от десятков пикосекунд до десятков наносекунд.
(рис 1.11) Работа спинтронного реле в динамике – зависимость выходного электрического тока реле от времени
Если над входной шиной 2 ( рис. 1.9 ) разместить еще одну независимую входную шину, то можно реализовать логические функции "", "$$$\vee$$$" и прочие. А если на выходе последовательно включить две выходные шины 4, то можно разветвлять логические цепи. Соответствующие логические схемы мы описывать не будем, поскольку, скорее всего, они не являются оптимальными "спинтронными" схемами. Ведь схемотехника спинтроники продолжает активно развиваться.
Степень спин-поляризации может быть положительной (когда $$$\mathit{i_{\uparrow} > i_{\downarrow}}$$$ ) или отрицательной (когда $$$\mathit{i_{\uparrow}}$$$ < $$$\mathit{i_{\downarrow}}$$$ ). Когда электрический ток полностью переносится лишь электронами со спином, ориентированным вдоль магнитного поля, тогда степень его поляризации = 100%. Когда же электрический ток переносится лишь электронами со спином, ориентированным против магнитного поля, тогда степень его поляризации = –100%. В ферромагнитных металлах типа железа, кобальта, никеля степень спин-поляризации положительна и составляет при комнатной температуре 10-50%.
Свыше 100 лет электроника имела дело лишь с не поляризованными электрическими токами, для которых P=0.
В последнее время стало формироваться понятие
Здесь $$$ {\Delta S}$$$ суммарный спин, который переносится через поперечное сечение проводника за время $$$ {\Delta t}$$$. Поскольку спин является безразмерной квантово-механической величиной, то спин-ток по определению (12.3) должен измеряться в единицах "1/с". Но эта единица отличается от такой единицы, как "Герц", хотя размерность их одинакова. Название для единицы спин-тока еще не установлено и не узаконено.
Для современных применений спинтроники важно то, что одновременно со спином переносится и магнитный момент. Поэтому более важным для практики является понятие
Здесь $$$ {\Delta M}$$$ – магнитный момент, переносимый через поперечное сечение проводника за время $$$ {\Delta t}$$$. Поскольку единицей магнитного момента в системе СИ является "Дж/Тл", то единицей магнитного спин-тока является "Дж/(Тл*с)" или "Вт/Тл".
Соотношение между магнитным спин-током $$$ {i_{MS}}$$$ и спин-током $$$ {i_S}$$$ вытекает из того, что магнитный момент, переносимый электроном проводимости, равен магнетону Бора $$${\mu_Б = 9,274096*10^{-24}}$$$ Дж/Т, а спин, переносимый электроном проводимости, равен $$$\frac23$$$. Поэтому $$$ {{\frac {\Delta M} {\Delta t}} : {\frac {\Delta S} {\Delta t}} = \mu_Б:\frac12=2\mu_Б }$$$, откуда $$$$ {i_{MS}=2\mu_Б i_S} $$$$
Можно найти соотношение между спин-поляризованным электрическим током i со степенью поляризации P и соответствующим ему магнитным спин-током $$$\mathit{i_{MS}}$$$. В самом деле, ток $$$\mathit{i_{\uparrow}}$$$ означает, что через поперечное сечение проводника каждую секунду проходят $$$$ {n_{\uparrow}= {\frac {i_{\uparrow}} {e} }} $$$$ электронов со спином, ориентированным вдоль магнитного поля (e – электрический заряд электрона). Поскольку электроны имеют отрицательный электрический заряд, то они движутся в направлении, противоположном направлению тока. Каждый из них переносит магнитный момент $$$ \mathit{\mu_Б}$$$; следовательно, электрическому току соответствует магнитный спин-ток $$$$ {i_{MS\uparrow}= -n_{\uparrow}\mu_Б = - {\frac {i_{\uparrow} } {e}\mu_Б}. $$$$ Аналогично, электрическому току $$$\mathit{i_{\downarrow}}$$$ соответствует магнитный спин-ток $$$$ {i_{MS\downarrow}= n_{\downarrow}\mu_Б = {\frac {i_{\downarrow} } {e}\mu_Б}, $$$$ так как каждый электрон этого тока переносит магнитный момент - $$$ \mathit{\mu_Б}$$$ в направлении, противоположном направлению тока. Суммарный магнитный спин-ток, соответствующий спин-поляризованному току $$$ \mathit{i=i_{\uparrow}+i_{\downarrow}}$$$, равен $$$$ {i_{MS}= {i_{MS\uparrow} + {i_{MS\downarrow} = - {\frac {i_{MS\uparrow} - i_{MS\downarrow}} {2e}} \mu_Б} $$$$ Из формулы (1.1) вытекает, что $$$i_{\uparrow}+i_{\downarrow} = iP/100\%$$$. Таким образом, получаем следующие соотношения между спин-поляризованным электрическим током i со степенью поляризации P и соответствующим ему магнитным спин-током:
$$$$ {i_{MS}={\frac {-i \mu_Б P} {e*100\%} } $$$$Если подставить известные значения $$$\mathit{e}$$$ и $$$\mathit{\mu_Б}$$$, то в системе СИ получаем $$$$ { 1,7254*10^4 i_{MS}=-iP/100\%} $$$$ где электрический ток задают в амперах, а магнитный спин-ток – в единицах "Вт/Тл".
Полностью поляризованному электрическому току в 1 А соответствует магнитный спин-ток $$$$ {i_{MS}={-\frac {1 A*100\%} {1,7254*10^4*100\%}} \approx -5,8*10^{-5} Вт/Тл \approx -58 мкВт/Тл. } $$$$
Тот факт, что при протекании спин-поляризованного электрического тока одновременно происходит и перенос спинов, а, следовательно, и намагниченности, означает возможность перемагничивания ферромагнитного слоя при пропускании спин-поляризованного электрического тока. Экспериментальная структура, демонстрирующая такую возможность, состоит ( рис. 1.12 ) из нанесенного на подложку "свободного" ферромагнитного слоя (СФМ), на левом и на правом концах которого нанесены участки "фиксированного" ферромагнитного слоя.
(рис 1.12) Схема перемагничивания "свободного" ферромагнитного слоя посредством пропускания спин-поляризованного электрического тока
Слева этот слой (ФФ1) постоянно намагничен вертикально вниз, а справа (ФФ2) – вертикально вверх (направления намагниченности показаны белыми стрелками). Соответственно намагничиваются и расположенные под ними области "свободного" слоя. Между "свободным" и магнитожестким "фиксированным" слоем нанесен промежуточный слой (ПС). Все слои являются электропроводящими.
Над участками "фиксированного"" слоя сформированы электроды (Эл1 и Эл2). Если со стороны электрода Эл2 пропускать электрический ток i справа налево ( рис. 1.12,а ), то электроны в "свободном" слое движутся слева направо. Поскольку большинство из них, выходя из ФФ1, имеет спин, направленный вниз, то они переносят и направленный вниз магнитный момент, в результате чего область "свободного" слоя между ФФ1 и ФФ2 намагничивается вниз. Физически это выглядит как движение направо междоменной стенки ДС. Если же пропускать электрический ток i со стороны электрода Эл1 слева направо ( рис. 1.12,б ), то электроны через "свободный" слой движутся справа налево. Поскольку большинство из них имеет спин, направленный вверх, то они переносят и направленный вверх магнитный момент, в результате чего область "свободного" слоя между ФФ1 и ФФ2 перемагничивается также вверх. Физически это выглядит как движение междоменной стенки (ДС) влево.
Спин-поляризованный электрический ток переносит одновременно и электрический заряд, и спин. А возможен ли
(рис 1.13) Схема для пропускания сквозь участок EF "чистого" спин-тока i_s: A, B, C, D – магнитные туннельные переходы
Это – изображение ферромагнитной структуры в плане. Светло-серым цветом показаны участки "свободного" ферромагнетика. Темные квадратики – это участки "фиксированного" ферромагнетика, нанесенные поверх "свободного". Между этими ферромагнитными слоями созданы туннельные переходы из сверхтонкого диэлектрика. Направления постоянной намагниченности участков "фиксированного" ферромагнетика показаны белыми стрелками.
Если на магнитные туннельные переходы подать электрическое напряжение, то через них потечет электрический ток: $$$\mathit{i_{\uparrow}}$$$ – от участка C к участку D и $$$\mathit{i_{\downarrow}}$$$ – от участка A к участку B, так как для этих токов туннельные переходы "открыты". А вот для тока $$$\mathit{i_{\downarrow}}$$$ от участка A к участку D туннельный переход закрыт (из-за противоположной намагниченности участка D). Аналогично закрыт для тока $$$\mathit{i_{\uparrow}}$$$ туннельный переход к участку B от участка C. Поскольку все элементы схемы идентичны, то эти токи одинаковы по величине, но противоположно направлены ( $$$\mathit{i_{\uparrow}=-i_{\downarrow} ; |i_{\uparrow}| = |i_{\downarrow}| = i}$$$ ). Поэтому на участке EF суммарный электрический ток равен нулю ($$$\mathit{i_{\uparrow} + i_{\downarrow} = 0}$$$). А вот спин-токи сонаправлены. Току $$$\mathit{i_{\uparrow}}$$$ согласно (1.7) соответствует магнитный спин-ток $$${i_{MS\uparrow}= - {\frac {i_{\uparrow}} {e }}\mu_Б$$$ и току $$$\mathit{i_{\downarrow}}$$$ согласно (1.8) – магнитный спин-ток $$${i_{MS\downarrow}= - {\frac {i_{\downarrow}} {e }}\mu_Б$$$. Суммарный спин-ток (если считать направление вправо положительным) $$$$ {i_{MS}= i_{MS\uparrow} - i_{MS\downarrow} = - {\frac {i} {e} } \mu_Б $$$$ Следовательно, сквозь участок EF будет протекать "чистый" спин-ток, переносящий спин и магнитный момент от E к F, но не переносящий электрический заряд.
Продолжим наш анализ дальше и рассмотрим ситуацию с другой стороны. Поскольку на участке EF электрический ток равен нулю, то от туннельного перехода A электрический ток течет в туннельный переход D. Электроны движутся в противоположном направлении. Из туннельного перехода D в участок AD проходят электроны, спины которых в основном направлены вверх, а через туннельный переход A из этого участка выходят электроны, спины которых в основном направлены вниз. В результате в окрестности точки E концентрация электронов со спином вверх возрастает, а концентрация электронов со спином вниз уменьшается. Аналогичные, но противоположные, процессы проходят и на участке СВ. В результате в окрестности точки F концентрация электронов со спином вверх уменьшается, а концентрация электронов со спином вниз возрастает. Это приводит к тому, что от точки Е (область с большей концентрацией) к точке F (область с меньшей концентрацией) происходит диффузия электронов со спином вверх, а в противоположном направлении диффундируют электроны со спином вниз. Отсюда вытекает важный вывод:
Этот вывод справедлив и для не ферромагнитных проводников, что показывает следующий опыт ( рис. 1.14 ). На поверхности медной шины (Cu) сформированы ферромагнитные элементы (ФМ1 и ФМ2), а на них нанесены золотые электроды (Аu). Отметим, что этот опыт лучше всего удается лишь тогда, когда все три металлических слоя (медь, пермаллой и золото) наносят последовательно в одном и том же высоком вакууме. Лишь при этих условиях удается обеспечить высокое качество контактов. Когда эти слои наносят в разных вакуумных циклах, опыт удается плохо, так как в контактах появляются окислы и посторонние примеси, которые значительно ухудшают условия инжекции спин-поляризованных электронов. С помощью источника напряжения (U1) через ферромагнитный элемент ФМ1 пропускают электрический ток. Электроны движутся навстречу току, поэтому из ферромагнитного элемента ФМ1 в медную шину переходят электроны со спинами, ориентированными в направлении его намагниченности. Под поверхностью элемента в медной шине возникает повышенная концентрация спин-поляризованных электронов.
(рис 1.14) Схема наблюдения диффузионного спин-тока в немагнитном проводнике
На рисунке: Cu – медная шина; Аu – золотые электроды; ФМ1 и ФМ2 – ферромагнитные элементы; μV – измеритель напряжения; μA – измеритель тока
Белыми прерывистыми стрелками показаны направления их диффузии – в обе стороны от места инжекции. Это и есть „чистый" спин-ток. „Чистый" потому, что электрический ток при этом не возникает, так как такое же количество не поляризованных электронов (с произвольной ориентацией спинов) диффундируют навстречу. Ферромагнитный элемент ФМ2 выполняет здесь функцию детектора спин-тока. При наличии спин-тока между его золотым электродом и медной шиной возникает небольшая разность потенциалов (U2), требуемая для того, чтобы автоматически компенсировать электрический заряд электронов, переносимых спин-током. При малых значениях разность потенциалов U2 пропорциональна электрическому току, протекающему сквозь „инжектор". Разность потенциалов U2 существенно различается в случаях, когда направления намагниченности ФМ1 и ФМ2 совпадают и когда они противоположны. Это и позволяет определить, какой именно спин (вверх или вниз) переносится спин-током. При уменьшении расстояния между ФМ1 и ФМ2 спин-ток возрастает, при увеличении – быстро уменьшается. В опытах японских ученых при расстоянии 270 нм спин-ток оказался достаточным даже для того, чтобы перемагнитить детектор (ФМ2), когда толщина ферромагнетиков была уменьшена до 4 нм.
Разность в концентрации спин-ориентированных электронов по аналогии с понятием электродвижущей силы (ЭДС) можно назвать
Приведем еще один интересный пример возникновения СДС ( рис. 1.15 ). Если взять намагниченную ферромагнитную палочку и нагреть один ее конец, то диффузия электронов из нагретого конца будет активнее, чем диффузия с холодного конца. В обычном проводнике это приводит к возникновению термо-ЭДС. Но ведь в ферромагнитном проводнике спины электронов ориентированы преимущественно в направлении намагниченности. Поэтому во время диффузии электронами переносится не только электрический заряд, но и спин.
(рис 1.15) Возникновение спин-движущей силы в ферромагнитном проводнике при нагревании одного из его концов
В результате возле холодного конца концентрация электронов со спинами, ориентированными в направлении намагниченности, повышается. Благодаря этому возникает термо-СДС. В стационарных условиях она поддерживается за счет энергии источника тепла и устанавливается на таком уровне, чтобы спин-ток, вызванный термо-СДС, в точности соответствовал диффузионному потоку электронов от нагретого конца к холодному.
Теперь пришло время рассмотреть детальнее, что происходит на контакте ферромагнетика с нормальным (не ферромагнитным) проводником (рис. 1.16 ).
(рис 1.16) Слева – схема инжекции спин-поляризованного тока из ферромагнетика (ФМ) в немагнитный проводник (НП); справа – зависимость намагниченности от координаты
Когда к контакту не приложено внешнее электрическое напряжение, происходит обычная тепловая диффузия электронов. Из-за того, что концентрация электронов проводимости в нормальном проводнике (НП) обычно выше, чем в ферромагнетике (ФМ), в последний сначала диффундирует больше электронов, чем в обратном направлении. Поэтому прилегающая к контакту зона ферромагнетика заряжается отрицательно до тех пор, пока потоки электронов в обе стороны не уравняются. Тогда наступает динамическое равновесие. Спины "избыточных" электронов, которые пришли из нормального проводника в ферромагнетик, ориентируются здесь в направлении намагниченности ФМ. Благодаря этому намагниченность прилегающей к контакту зоны ФМ несколько возрастает. В прилегающей к контакту зоне нормального проводника из-за наличия магнитного поля от ФМ оказывается несколько большей концентрация электронов с ориентацией спинов, как в ФМ. Поэтому указанная зона немного намагничивается. Зависимость намагниченности (М) от координаты в зоне контакта показана на рис. 1.16 справа пунктирной линией. Такой же характер имеет и зависимость от координаты (сплошная линия) разности концентраций электронов со спинами, ориентированными "вверх" и "вниз" ($$${\Delta n_{\uparrow} = n_{\uparrow}-n_{\downarrow}}$$$).
Когда к контакту приложено внешнее электрическое напряжение (U) такое, что электрический ток течет из НП в ФМ, электроны из ФМ со спинами, ориентированными преимущественно "вверх", инжектируются в НП. Плотность потока инжекции (- j , поскольку он противоположен направлению тока) показана на рис. 1.16 слева черной стрелкой. Он приводит к тому, что концентрация электронов с ориентированными вверх спинами в зоне НП, прилегающей к контакту, резко возрастает. Это явление называют аккумуляцией или накоплением спинов. Под действием электрического поля эти электроны дрейфуют направо, из-за чего в нормальном проводнике течет уже спин-поляризованный ток. Это и называют инжекцией спин-поляризованного тока В ходе своего теплового движения и дрейфа электроны с ориентированными вверх спинами рассеиваются на фононах и на дефектах кристалла и в результате рассеяний изменяют ориентацию своего спина. Этот процесс называют спиновой релаксацией Он характеризуется средним временем релаксации спинов tCP и длиной диффузии спин-поляризованных электронов λC – расстоянием, на котором концентрация указанных электронов уменьшается в e ≈ 2,73 раза. Среднее время релаксации спинов при комнатных температурах составляет порядка 1-100 нс.
На рис. 1.16 показан случай "прямой" или "фронтальной" инжекции спин-поляризованного тока. А на рис. 1.14 мы рассматривали случай "боковой" инжекции, когда электрический ток течет параллельно плоскости контакта ФМ–НП. В этом случае инжектированные спин-поляризованные электроны практически не принимают участие в переносе электрического заряда вдоль проводника, так как в нем для этого более чем достаточно "своих", не спин-поляризованных, носителей заряда. В этом случае и наблюдается "чистый" спин-ток, который тоже уменьшается практически до нуля на расстояниях порядка (2-3) λC от источника спин-поляризованных электронов.
Рассмотрим теперь, что происходит на контакте ферромагнетика с полупроводником (рис. 1.17). Поскольку концентрация носителей заряда в полупроводнике намного меньше, чем в ферромагнитном металле, то из последнего в полупроводник диффундируют намного больше электронов. Динамическое равновесие устанавливается лишь тогда, когда на контакте сформируется значительный потенциальный барьер – "барьер Шоттки" (рис. 1.17,a). Из-за этого в области полупроводника, прилегающей к контакту, имеет место значительное искривление зон (валентной, запрещенной и зоны проводимости).
(рис 1.17) Зонные диаграммы контактов ферромагнетик (ФМ) – полупроводник (П): (а) при отсутствии напряжения; (б) при наличии напряжения. (в) Зонная диаграмма структуры ФМ – Т – П (Т – туннельный переход);
На рисунке: EB – верхний край валентной зоны; EП – нижний край зоны проводимости; EФ – уровень Ферми
Когда к контакту приложено небольшое напряжение U ("+" к полупроводнику), мало что изменяется. Сквозь барьер Шоттки электрический ток не течет до тех пор, пока напряжение не достигнет величины, близкой к высоте барьера. Тогда становится возможным туннелирование электронов сквозь узкий барьер (рис. 1.17,б).
Поляризованные электроны из ферромагнетика входят в полупроводник с энергией, намного превышающей тепловую. Такие "горячие" электроны очень интенсивно рассеиваются и быстро теряют ориентацию своих спинов. Поэтому инжекция спин-поляризованного электрического тока из ферромагнитного металла в полупроводник оказывается очень неэффективной.
Более эффективным в этом плане оказалась структура "ферромагнитный металл – туннельный переход – полупроводник" (рис. 1.17,в). Искривление зон в полупроводнике, отделенном от металла диэлектриком, незначительно. Если толщина диэлектрика очень мала (~1 нм), то уже при небольших напряжениях начинается туннелирование. Инжектированные спин-ориентированные электроны входят в полупроводник не такими "горячими", как в случае барьера Шоттки. И поэтому время их спин-релаксации значительно больше. Именно поэтому, например, в спин-транзисторе с полупроводниковой базой (рис. 1.6) между полупроводником и ферромагнетиками используют сверхтонкие туннельные переходы (на рис. 1.6 – из нитрида кремния).
Используя сверхтонкий туннельный переход, в 2007 г. на примере спин-транзистора, структура которого показана на рис. 1.18, было установлено, что инжектированные в высокочистый кремний спин-поляризованные электроны могут иметь довольно большое время спин-релаксации и диффундировать на значительные (в масштабах нано- и даже микромира) расстояния – до 350 мкм
(рис 1.18) Структура, схема подключения экспериментального спин-транзистора на кремнии и соответствующая энергетическая диаграмма
На пластину высокочистого кремния (Si(пл.)) толщиной 350 мкм сверху был нанесен слой металлизации (Al/Cu) толщиной 10 нм, сверхтонкий туннельный слой Al2O3, слой ферромагнетика (CoFe) толщиной 10 нм и металлизация из алюминия (Al). Эта структура выполняла роль эмиттера спин-поляризованных электронов. Снизу на пластину кремния (Si(пл.)) были нанесены слои ферромагнетика (NiFe) и меди (Cu) оба толщиной 4 нм. На последнем был выращен слой кремния n-типа (n-Si) и омический контакт из индия (In).
Когда на эмиттер подавалось напряжение UЭ, из ферромагнетика (CoFe) в кремний через сверхтонкий туннельный барьер (Al2O3 и тонкий слой металлизации (Al/Cu) инжектировались электроны проводимости со спинами, ориентированными в направлении намагниченности ферромагнетика. Под действием напряжения UК1, приложенного к коллекторному слою ферромагнетика (NiFe), эти электроны дрейфуют сквозь пластину кремния. Время их спин-релаксации и длина диффузии оказались достаточными, чтобы заметная их часть прошла к коллектору. Направление ориентации спинов можно было определить, изменяя направление намагниченности "свободного" ферромагнетика. В этом случае ток коллектора резко уменьшался. Слой кремния n-типа (n-Si) использовался для дополнительного усиления и более точного измерения сигналов [Huang B., Monsma D.J., Appelbaum I. // Physical Review Letters. – 2007. – V. 99. - 177209].
Туннельный переход, улучшая условия инжекции спин-поляризованного тока в полупроводник, все же создает повышенное электрическое сопротивление и требует увеличенных рабочих напряжений. Поэтому ученые обратили особое внимание на возможную альтернативу – на использование в качестве источника спин-поляризованного тока не металлических, а полупроводниковых ферромагнетиков – т.н.
В последние два десятилетия ХХ в. интенсивно изучались т.н. "разбавленные магнитные полупроводники" (РМП, англ. diluted magnetic semiconductors, DMS). Это – классические полупроводники типа A2B6 и A3B5, сильно, до максимально возможной растворимости, легированные атомами переходных ("магнитных") металлов, чаще всего марганца (Mn – поскольку он имеет наибольшую растворимость). Обменное взаимодействие электронов из частично заполненных d- и f- оболочек магнитных ионов с зонными носителями заряда основного полупроводника существенно изменяет свойства последнего и приводит к появлению не только ферромагнетизма, но и многих новых явлений, которые могут быть перспективными для практических применений. Однако у большинства таких РМП температура Кюри оказалась ниже комнатной (напр., у Ga0,95Mn0,05SbTK = 110-250 K – в зависимости от технологии изготовления; у Ga0,95Mn0,05Sb TK = 80 K). И только у широкозонных полупроводников температура Кюри оказалась выше комнатной (у Ga1-xMnxN, напр., TK = 400 K). У GaN, легированного гадолинием (магнитный момент его атома равен 8 магнетонам Бора), тонкие пленки становятся ферромагнитными даже в случае, когда один атом гадолиния приходится почти на миллион ионов галлия и азота. Позднее оказалось, что, используя дополнительные легирующие элементы (Zn, Cd и др.), можно существенно повысить температуру Кюри также и узкозонных полупроводников (напр., на основе InSb-Mn: Zn, Cd удается получить непрерывный ряд РМП с TK = 320-400 K).
В последнее десятилетие синтезируется и изучается значительно более широкий спектр магнитных полупроводников. Ферромагнитные свойства при температурах выше комнатной выявлены даже у таких классических полупроводников, как кремний и германий, легированных марганцем или другими „магнитными" атомами. Здесь многое зависит от технологии легирования и от применения дополнительных легирующих элементов.
На контакте ферромагнитного полупроводника с обычным полупроводником такого же типа проводимости не возникает значительных барьеров (рис. 1.19,а,б). Если ФП и обычный полупроводник имеют разные типы проводимости, то возникает р-п-переход, прохождение электрического тока сквозь который возможно лишь в одном направлении (рис. 1.19,в,г). На рис. 1.19 кроме валентных зон (EВ1 и EВ2) и зон проводимости (EП1 и EП2) условно показаны также зоны d- и f- электронов (Efd), которые обычно также присутствуют в ферромагнитных полупроводниках. В зависимости от их положения относительно уровня Ферми (EФ) они могут быть частично или полностью заполненными. Даже если они заполнены частично, электропроводность по таким зонам ограничена, так как f- и d- электроны имеют малую подвижность (большую эффективную массу).
Инжекция в полупроводник спин-поляризованного тока из ферромагнитных полупроводников оказалась намного эффективней, чем из ферромагнитных металлов, и степень его спин-поляризации может быть намного выше – вплоть до 100%.
(рис 1.19) Зонные диаграммы контакта ферромагнитный полупроводник (ФП) – полупроводник (П) для случаев, когда (а) оба имеют п-тип проводимости; (б) оба имеют р-тип проводимости; (в, г) ФП и П имеют разные типы проводимости
В последнее десятилетие активно синтезируются и изучаются также ферромагнитные полупроводниковые нанокомпозитные материалы, в состав которых входят магнитные структуры с пониженной размерностью – наночастицы, ферромагнитные нанопроволоки, сверхтонкие ферромагнитные пленки, представляющие собой квантовые плоскости. Температуры Кюри для таких нанокомпозитных полупроводников могут существенно отличаться от температуры Кюри соответствующего „чистого" полупроводника. Кроме того, появляются возможности значительно изменять свойства системы с помощью внешнего магнитного поля
Используя эти достижения, удалось создать, например, прототипы
При поглощении циркулярно поляризованного света действуют те же самые правила отбора. В результате этого атомы, поглощающие циркулярно поляризованный фотон, переходят в состояния с магнитным квантовым числом, отличающимся на ±1 от исходного состояния. В ряде новейших технологий, о которых мы здесь не рассказываем, это свойство циркулярно поляризованного света используется для "оптического намагничивания" ансамблей атомов или для их "оптической накачки" – создания инверсной заселенности возбужденных состояний атомов.
(рис 1.20) Динамика вращения электрического вектора в циркулярно поляризованной электромагнитной волне
Излучение спинтронных светодиодов можно модулировать с очень высокой частотой с помощью как электрических, так и магнитных воздействий. Преимуществом такого света как переносчика информации является то, что информацию здесь можно кодировать не только амплитудой, частотой или фазой, но и направлением циркулярной поляризации.
Структура прототипа
Если наночастицы MnAs с помощью внешнего магнитного поля перемагнитить в направлении, противоположном направлению намагниченности магнитожесткого слоя MnAs (ферромагнетик с фиксированной намагниченностью), то за счет инжекции из него через туннельный переход спин-поляризованных электронов на внешних выводах возникает электрическое напряжение. Если замкнуть внешнюю электрическую цепь, то к ферромагнитным наночастицам MnAs "потекут" электроны, спины которых ориентированы в направлении намагниченности "фиксированного" ферромагнетика. Эти электроны, накапливаясь, приводят к постепенной переориентации ферромагнитных наночастиц. Если внешнюю цепь разомкнуть, то ток прекращается, а вместе с ним прекращается и перемагничивание ферромагнитных наночастиц.
(рис 1.21) Структура прототипа спинового аккумулятора
Протекание тока в замкнутой внешней цепи поддерживается за счет энергии неравновесного намагничивания наночастиц. Когда все ферромагнитные наночастицы перемагничиваются в направлении намагниченности "фиксированного" ферромагнетика, ток прекращается. Для восстановления работы аккумулятора, ферромагнитные наночастицы надо снова перемагнитить в противоположном направлении. Таким образом,
При своих перемещениях электроны переносят не только электрический заряд, но и свой спин. Магниторезистивные считывающие головки и магниторезистивная оперативная память стали первыми реальными воплощениями спинтроники – нового раздела электроники, в котором используются явления спин-зависимого переноса электрического заряда и переноса спина. Переворот спина не связан со значительными затратами энергии и происходит за несколько пикосекунд. При изменении направления спина кинетическая энергия электрона не изменяется, и это практически не приводит к выделению тепла. Поэтому спинтронные элементы информатики, построенные из них устройства и системы могут иметь высокое быстродействие при затратах значительно меньшей энергии, чем в случае обычных электронных элементов.
Разработаны и изучаются уже много спинтронных элементов: спиновый клапан, спин-вентильный транзистор, туннельный спин-вентильный транзистор, спин-транзистор с полупроводниковой базой, спиновый полевой транзистор, спинтронное реле. Активно развивается схемотехника спинтроники.
В результате осознания важности явления спин-зависимого переноса электронов сформировалось понятие "спин-поляризованного" электрического тока. Это – электрический ток, при котором одновременно с переносом электрического заряда переносится и спин. Такой ток характеризуют "степенью спин-поляризации". Свыше 100 лет электроника имела дело лишь с не поляризованными электрическими токами. Теперь начало формироваться также понятие "спин-тока" или "спин-транспорта". Аналогично определению электрического тока, спин-ток определяется как суммарный спин, который переносится через поперечное сечение проводника за единицу времени.
Особенно важным для практики стало понятие магнитного спин-тока, который определяется как магнитный момент, переносимый через поперечное сечение проводника за единицу времени. Между спин-поляризованным электрическим током i со степенью поляризации P и соответствующим ему магнитным спин-током $$$\mathit{i_{MS}}$$$ существует соотношение $$ $ 1,7254*10^4\mathit{i_{MS} = -iP/}100\%$ $$ где i задают в амперах, а магнитный спин-ток – в единицах "Вт/Тл".
Перенос магнитного момента при протекании спин-поляризованного электрического тока является основой метода спин-транспортного перемагничивания (СТП) ферромагнетиков. Этот метод позволил на порядок уменьшить ток записи в магниторезистивную оперативную память и значительно уменьшить площадь магниторезистивных ячеек.
Опыты доказали возможность протекания "чистого" спин-тока, который переносит спин, но не переносит электрический заряд. "Чистый" спин-ток возникает тогда, когда в проводнике появляется градиент концентрации спин-поляризованных электронов. Разность в концентрации спин-поляризованных электронов по аналогии с понятием электродвижущей силы (ЭДС) можно назвать "спин-движущей силой" (СДС). Как и ЭДС, СДС может стационарно поддерживаться лишь за счет работы какой-то "сторонней силы".
При контакте ферромагнетика (ФМ) с нормальным (не ферромагнитным) проводником в прилегающей области нормального проводника несколько повышается концентрация электронов с ориентацией спинов в соответствии с намагниченностью ФМ. Поэтому эта область тоже слегка намагничивается. Когда к контакту приложено внешнее электрическое напряжение такое, что электроны из ФМ инжектируются в нормальный проводник, сквозь последний течет спин-поляризованный ток. Концентрация электронов с ориентированными спинами в области, прилегающей к контакту, резко возрастает. Это называют "аккумуляцией" или "накоплением" спинов. В ходе своего теплового движения и дрейфа электроны с ориентированными спинами в результате рассеяний изменяют ориентацию своего спина. Этот процесс называют "спиновой релаксацией". Он характеризуется средним временем релаксации спинов и длиной диффузии спин-поляризованных электронов.
При контакте ферромагнетика с полупроводником тоже имеет место инжекция спин-поляризованного электрического тока, но она оказывается очень неэффективной. Более эффективным в этом плане оказался контакт "ферромагнитный металл – туннельный переход – полупроводник", хотя и его эффективность не очень высока. Длина диффузии спин-поляризованных электронов в кремний оказалась довольно значительной – свыше 100 мкм.
В последние десятилетия синтезируется и изучается широкий спектр магнитных полупроводников, в частности "разбавленных магнитных полупроводников" (РМП), – легированных марганцем или другими "магнитными" атомами, а также нанокомпозитные ферромагнитные полупроводники, в состав которых входят магнитные структуры пониженной размерности – наночастицы, нанопроволоки или квантовые плоскости из ферромагнетиков. Инжекция в полупроводник спин-поляризованного тока из ферромагнитных полупроводников намного эффективнее, да и степень его спин-поляризации может быть намного выше, – вплоть до 100%.
Используя эти достижения, уже удалось создать, например, спинтронные светодиоды и прототипы спиновых аккумуляторов. Промышленно выпускаются спинтронные светодиоды на основе p-n-перехода в AlGaAs, излучение которых циркулярно поляризовано. Это весьма ценно для ряда высокотехнологических применений и существенно расширяет возможности кодирования информации.
Спиновый аккумулятор запасает энергию в виде намагниченности ферромагнитных наночастиц, которые в процессе эксплуатации постепенно размагничиваются. Для восстановления их надо снова намагнитить в ином направлении. Зарядка такого аккумулятора не требует гальванического контакта. Такие аккумуляторы могут стать эффективным источником электропитания для спинтронных схем, в т.ч. вживляемых в тело человека.
Для получения официальных документов о завершении программы дополнительного профессионального образования (удостоверения о повышении квалификации, дипломов о профессиональной переподготовке и MBA) необходимо предоставить:
Внимание! Вы можете не заказывать доставку бумажной версии официального документы, а скачать его в электронном виде и распечатать самостоятельно. Информация о выданном документе в течение 1 месяца загружается в Федеральную информационную систему «Федеральный реестр сведений о документах об образовании и (или) о квалификации, документах об обучении» - ФИС ФРДО.
Доступ на новый сайт осуществляется с использованием адреса электронной почты, который был указан вами при регистрации на "старом". Мы постарались перенести все ваши данные с прежнего ресурса, однако не исключена вероятность потери части информации.
При возникновении проблемы со входом, воспользуйтесь функцией сброса пароля
Если вы обнаружите несоответствия, пожалуйста, сообщите нам.