自旋電子學(xué) (Spintronics)，也稱磁電子學(xué)。它利用電子的自旋和磁矩，使固體器件中除電荷輸運(yùn)外，還加入電子的自旋和磁矩。是一門新興的學(xué)科和技術(shù)。應(yīng)用于自旋電子學(xué)的材料，需要具有較高的電子極化率，以及較長(zhǎng)的電子自旋弛豫時(shí)間。許多新材料，例如磁性半導(dǎo)體、半金屬等，近年來被廣泛的研究，以求能有符合自旋電子元件應(yīng)用所需要的性質(zhì)。
簡(jiǎn)介
硬盤磁頭是自旋電子學(xué)領(lǐng)域中，最早商業(yè)化的產(chǎn)品。此外，尚有許多充滿潛力的應(yīng)用，例如磁性隨機(jī)內(nèi)存、自旋場(chǎng)發(fā)射晶體管、自旋發(fā)光二極管等。
歷史
1980年在固態(tài)器件中發(fā)現(xiàn)了與電子自旋有關(guān)的電子輸運(yùn)現(xiàn)象。開始出現(xiàn)了自旋電子學(xué)。
1985年約翰遜和西爾斯比觀察到，鐵磁金屬把極化di電子注如入普通金屬；艾伯特·費(fèi)爾蒂等和 彼得·格倫伯格發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)。還可追溯到梅澤夫和特德羅的鐵磁和超導(dǎo)體隧道實(shí)驗(yàn)，以及1970年的祖利爾（Julliere）磁隧道結(jié)。利用半導(dǎo)體作磁電子學(xué)器件，可追溯到1990年達(dá)它（Datta）和達(dá)斯（Das）的理論提議自旋場(chǎng)效應(yīng)二極管。
1988年，法國科學(xué)家Fert小組在周期性多層膜中，觀察到當(dāng)施加外磁場(chǎng)時(shí)，其電阻變化率高達(dá)，因此稱之為巨磁電阻效應(yīng)。在反鐵磁耦合的多層膜中，出現(xiàn)巨磁電阻的必要條件就是近鄰磁層中的磁矩相對(duì)取向在外磁場(chǎng)的作用下可以發(fā)生變化，因此需要很高的外磁場(chǎng)才能觀察到GMR效應(yīng)，不適合于器件應(yīng)用。
1995年，在三明治結(jié)構(gòu)中觀察到很大的隧道磁電阻（Tunneling Magnetoresistance， TMR）現(xiàn)象，開辟了自旋電子學(xué)的又一個(gè)新方向。除了上面提到的磁性多層結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體自旋電子學(xué)如磁性半導(dǎo)體，磁性/半導(dǎo)體復(fù)合材料，非磁性半導(dǎo)體量子阱和納米結(jié)構(gòu)中的自旋現(xiàn)象以及半導(dǎo)體的自旋注入的研究在GMR發(fā)現(xiàn)后也變得十分活躍，極大地豐富了自旋電子學(xué)的內(nèi)容。
應(yīng)用
自旋電子中的自旋隨機(jī)儲(chǔ)存器的應(yīng)用前景并不局限于傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)體系，還能夠擴(kuò)展到其他諸多領(lǐng)域，甚至有望成為通用存儲(chǔ)器(Universal Memory)。例如，在發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊采用磁隨機(jī)儲(chǔ)存器以保證數(shù)據(jù)在斷電情況下不丟失。鑒于磁性存儲(chǔ)具有抗輻射的優(yōu)勢(shì)，在空中客車A350的飛行控制系統(tǒng)中采用MRAM以防止射線造成數(shù)據(jù)破壞。
此外，在物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等新興應(yīng)用領(lǐng)域，泛在的傳感器終端需要搜集數(shù)據(jù)，為節(jié)省存儲(chǔ)功耗，使用非易失性存儲(chǔ)器勢(shì)在必行，基于自旋電子學(xué)原理的自旋隨機(jī)儲(chǔ)存器以其相對(duì)優(yōu)良的性能成為熱門的候選器件。
自旋注入和檢測(cè)
自旋注入和檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)自旋電子器件最基本的條件。磁性材料半導(dǎo)體界面的自旋注入是最基本的自旋注入結(jié)構(gòu)作為自旋極化源和檢測(cè)的磁性材料電極有鐵磁金屬。磁性半導(dǎo)體和稀磁半導(dǎo)體三種磁性半導(dǎo)體有較高的自旋注入效率。但是磁性半導(dǎo)體，如硫化的生長(zhǎng)極其困難。因此研究就集中在從稀磁半導(dǎo)體和鐵磁金屬向非磁半導(dǎo)體內(nèi)的注入稀磁半導(dǎo)體的鐵磁轉(zhuǎn)變溫度遠(yuǎn)低于 室溫! 雖然理論預(yù)測(cè)某些材料的鐵磁轉(zhuǎn)變溫度可以高于室溫。但是在開發(fā)出可以在室溫下應(yīng)用的稀磁半導(dǎo)體之前，鐵磁金屬半導(dǎo)體的接觸仍然是實(shí)現(xiàn)從注入自旋操縱到檢測(cè)全部電學(xué)控制的最有希望的方法。
參考資料 >