自旋注入

電子除具有電荷屬性外，還具有內稟的自旋屬性。將自旋引入傳統半導體器件中，用電荷和自旋共同作為信息的載體，可以發展新一代的自旋電子器件。長期以來，作為半導體和磁性材料最為重要的功能之一，信息處理與信息存取分別利用電子的電荷屬性和自旋屬性，兩者各自獨立地發展。但近年來，隨著電子器件的進一步小型化和亞微米乃至納米科學技術的發展，由於散熱和工藝尺寸等因素的影響，基於電荷載體的半導體微電子學的研究進展受到很大限制，與此同時，金屬自旋閥中巨磁電阻和隧道磁電阻效應的發現引發了磁存儲和磁記錄領域的革命，並由此產生了圍繞電子自旋控制的跨越半導體和磁性材料的全新研究領域—自旋電子學。自旋電子學的研究已經成為凝聚態物理、信息科學及新材料等諸多領域共同關注的熱點。

自旋電子學主要研究與電子電荷和自旋密切相關的過程，包括自旋源的產生、自旋注入、自旋輸運、自旋檢測及自旋控制，最終實現新型的自旋電子器件，如自旋量子阱發光二極體、自旋p-n結二極體、磁隧道效應晶體管、自旋場效應晶體管、量子計算機等。自旋電子學領域所關心的核心問題是利用系統材料與自旋相關的物理機制，實現非磁材料自旋注入和對自旋的操控，探測單個自旋、自旋相干性和自旋的弛豫等。人們普遍利用磁性材料實現自旋注入與檢測；光學方法也有一定的應用，但基於電學方法的易於控制和實現以及現已發展相當成熟的半導體技術，如何用電學方法在半導體材料中有效地控制電子自旋，引起人們的極大關注。

自旋注入是實現自旋電子器件最基本的條件，隨著自旋電子學在磁性和非磁性金屬上的巨大成功，自旋注入半導體材料越來越受到人們關注。磁性材料俘導體界面的自旋注入是最基本的半導體自旋注入結構。作為自旋極化源的磁性材料有鐵磁金屬、磁性半導體和稀磁半導體三種。磁性半導體有較高的自旋注入效率，但是磁性半導體（如硫化銪）的生長極其困難，因此研究就集中在從稀磁半導體和鐵磁金屬向非磁半導體內的注入。稀磁半導體的鐵磁轉變溫度遠低於室溫，雖然理論預測某些材料的鐵磁轉變溫度可以高於室溫，但是在開發出可以在室溫下應用的稀磁半導體之前，鐵磁金屬/半導體的接觸仍然是實現從自旋注入、操縱到檢測全部電學控制的最有希望的方法。

歐姆式注入，又可稱作直接式或擴散式注入。在一個鐵磁性的金屬中，多數自旋向上的導電性與少數自旋向下的電子有著本質的不同，引起自旋極化的電流。對於自旋注入最直接的方法就是在鐵磁性的金屬和半導體之間形成一個歐姆式接觸，以形成電流。但是典型的金屬一半導體的歐姆式接觸是在摻雜的半導體表面，引起了載流子的自旋翻轉散射，造成自旋極化度的損失。

為此，最早的研究利用化學勢和金屬相差不多的半導體材料InAs和鐵磁金屬以歐姆接觸的形式結合起來，InAs是少數幾種可以和過渡金屬形成陡峭界面且無Schottky的歐姆接觸材料之一。儘管做了大量的研究，仍然只能在溫度小於10K下得到4.5%的自旋極化注入。

由於金屬比半導體的電導大幾個數量級，因而根據歐姆定律，電流主要由電阻大的部分，即半導體部分的電阻決定，由於自旋向上和向下的兩分支電流在半導體部分的電導基本相同，所以兩分支電流也就相差不多，因而自旋注入效率當然很低。只有當鐵磁體中的載流子是100%極化時，才有可能在擴散輸運中得到有效的自旋注入。

電導率失配模型有一定的局限性。首先，該模型是建立在漂移擴散輸運基礎上的，並不適用於彈道輸運和隧穿輸運；其次，該模型假設界面是沒有電阻的，沒有考慮金屬俘導體接觸可能形成的自旋相關的界面電阻，而界面電阻的性質是決定自旋注入的重要因素。因此，不能根據這一理論斷定鐵磁金屬向半導體內的自旋極化注入是不可行的。

隧道注入，通過異質結的自旋注入已經不是一個新課題。關於鐵磁性金屬和金屬結（FM/M）與鐵磁性金屬和超導金屬結（FM/SM）的理論已經成功地建立，並顯示出了很好的結果。而近來對於關鍵的鐵磁性金屬和半導體結的研究表明，在利用有磁性探頭的掃描隧道顯微鏡（STM）時，發現真空的隧道結能夠有效地將自旋注入電子中，隧道結的邊界還能保存自旋極化。因此，它有可能是比擴散性傳送好得多的方法。

理論研究指出，如果一個界面上的阻抗很高的話，傳送效果就會由參與隧道過程中兩個電極基於自旋的電子狀態所決定。通過界面的電流會很小，電極處於平衡，相對導電性較好的電極也不會對自旋傳輸起到限制作用。因此，一個金屬一絕緣體-半導體二極體或者一個金屬一半導體二極體和鐵磁性金屬電極的搭配，都被認為是一個將自旋注入半導體的好方法。理論計算也證實了這個結論。

實驗表明，在100K下，用一個100%自旋極化的STM探頭作為電子源將極化的電子注入P型GaAs的表面，並同時記錄下了重組發光的極化程度，結果表明，高度自旋極化流（92%）能夠被注入GaAs。