[發(fā)明專利]一種光學激發(fā)產生自旋極化電子和自旋電流的方法

有效

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• 申請日: 2012-11-28
• 公開（公告）號: CN102983158A
• 公開（公告）日: 2013-03-20
• 發(fā)明（設計）人: 閆存極;韓立;顧文琪
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所
• 主分類號: H01L29/66
• 分類號: H01L29/66
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 關玲

技術領域

本發(fā)明涉及電子自旋器件領域，特別涉及一種產生自旋極化電子和自旋電流的方法。

背景技術

基于自旋的電子學器件由于非易失、數據處理速度快、集成密度高和低功耗等方面的優(yōu)勢成為電子器件的一個發(fā)展趨勢。目前產生自旋極化電子和自旋電流主要有兩類方法：電學方法和光學方法。其中電學方法主要包括：（1）自旋擴散輸運。通過鐵磁金屬做電極引入極化電子，即在鐵磁金屬與半導體材料的界面形成歐姆接觸，在電場的驅動下將鐵磁金屬中的自旋極化電流引入到半導體材料中。由于鐵磁金屬與半導體的電阻失配率較高，以及鐵磁金屬本身自旋極化率較低，導致注入的效率較低（<30%）。（2）自旋隧穿。利用鐵磁金屬（FM）-絕緣體-鐵磁金屬（FM）隧道結，隧穿勢壘能夠保持隧穿過程中的自旋極化。但該方法依賴于在半導體上外延生長鐵磁薄膜，要求形成尖銳的界面和高質量的Schottky勢壘，對加工工藝水平要求很高。（3）自旋彈道輸運。利用彈道輸運將鐵磁材料中的自旋極化電子注入到半導體材料或非鐵磁金屬材料中。該方法與前一種方法一樣，需要高質量的Schottky勢壘，對加工工藝要求高。（4）利用稀磁半導體在磁場下的巨Zeeman分裂效應。但由于材料的居里溫度迄今尚不能達到室溫以上，目前還不能將其應用到實際器件中。光學方法主要是指：用一束圓偏振光照射到半導體量子阱結構上，從價帶激發(fā)電子到導帶，由于空穴與電子之間的躍遷選擇定則，使不同自旋取向的電子以不同概率躍遷，使導帶上形成自旋極化的電子。雖然光學方法在高速調制方面優(yōu)于電學方法，但上述光學方法仍存在室溫下自旋極化率不高、需要低溫等問題。制造與自旋有關的電子器件，最關鍵的問題仍是在不需要強磁場和室溫條件下產生自旋極化的電子和自旋電流。

發(fā)明內容

本發(fā)明針對現有技術的室溫下自旋極化率不高、需要低溫等問題，提出一種室溫下利用光學激發(fā)產生自旋極化電子，即非平衡自旋取向電子，和自旋電流的方法。本發(fā)明對激發(fā)光的光譜范圍沒有限制，可在很寬溫度范圍內，包括室溫下，實現高效率的光學激發(fā)的電子自旋取向。

本發(fā)明將表面等離激元金屬材料的光學特性和其特殊電子能帶結構相結合，利用光學激發(fā)產生自旋極化電子，即非平衡自旋取向電子，和自旋電流，具體內容為：

（1）光波從一種折射率為n₁的光密介質，以大于全反射臨界角的入射角射向所述的光密介質和一種折射率為n₂的光疏介質構成的界面，n₁>n₂，并在所述的光密介質和光疏介質構成的界面上發(fā)生一次或多次全反射，使所述界面上的一個功能層上產生自旋極化電子和自旋電流，所述的功能層包含有由表面等離激元金屬材料構成的具有納米特征尺寸的結構；

（2）所述的光學全反射在所述的界面上產生了倏逝波（或稱消逝波），所述的倏逝波能透入所述的產生自旋極化電子和自旋電流的功能層；

（3）所述的倏逝波與所述功能層中由表面等離激元金屬材料構成的結構發(fā)生相互作用，導致表面等離激元共振的發(fā)生，在表面等離激元金屬材料構成的結構上形成共振躍遷的表面自由電子；

（4）表面等離激元金屬材料構成的結構在自旋-軌道耦合相互作用等微觀作用下形成了表面有效磁場；所述的共振躍遷的表面自由電子在該表面有效磁場中發(fā)生自旋進動，形成共同的自旋磁矩分量，從而在所述的產生自旋極化電子的功能層中產生了自旋極化電子，進而伴隨著表面等離激元在表面或界面的傳播而形成自旋電流。

一般的，上述由表面等離激元金屬材料構成的結構可以是一個由表面等離激元金屬材料構成的薄膜。

較優(yōu)的，上述由表面等離激元金屬材料構成的結構也可以是一個由表面等離激元金屬材料構成的周期性納米結構，如納米光柵結構和納米孔陣列結構等。

較優(yōu)的，上述由表面等離激元金屬材料構成的結構還可以是一個由表面等離激元金屬材料構成的非周期納米結構，如島狀的非周期納米結構或顆粒狀的非周期納米結構。

一般的，上述由表面等離激元金屬材料構成的結構具有納米特征尺寸是指由表面等離激元金屬材料構成的薄膜的厚度具有納米特征尺寸，或由表面等離激元金屬材料構成的周期性結構的周期尺度具有納米特征尺寸，或由表面等離激元金屬材料構成的周期性結構的周期單元結構具有納米特征尺寸，或由表面等離激元金屬材料構成的非周期性結構的非周期分布的個體結構具有納米特征尺寸。

一般的，上述納米特征尺寸是指小于500nm的尺寸。

較優(yōu)的，上述納米特征尺寸是指小于100nm的尺寸。