自旋场效应晶体管的原理和研究进展

基于电子具有自旋的特性,介绍了自旋场效应晶体管的基本原理和研究进展;通过研究发现自旋场效应晶体管具有良好的电导开关效应,外加磁场后则呈现出磁开关效应．     

双势垒磁性隧道结的磁电阻效应及其在自旋晶体管中的应用

利用磁控溅射方法沉积双势垒磁性隧道结多层膜, 其中Al-O势垒层由等离子体氧化1 nm厚的 金属铝膜方式制备，然后采用深紫外光曝光和Ar离子刻蚀技术、微加工制备出长短轴分别为 6和3 μm大小的椭圆形双势垒磁性隧道结（DBMTJ），并在室温和低温下对其自旋电子输运 特性进行了研究. DBMTJ的隧穿磁电阻(TMR)比值在室温和42 K分别达到27％和423％， 结电阻分别为136 kΩ·μm²和175 kΩ·μm²，并在实验中观 察到平行状 态下存在低电阻态及共振隧穿效应，反平行态下呈现高电阻态以及TMR随外加偏压或直流电 流的增加而发生振荡现象. 由此，设计了一种基于这种双势垒磁性隧道结隧穿特性的自旋晶 体管. 关键词： 双势垒磁性隧道结 隧穿磁电阻 共振隧穿效应 自旋晶体管     

基于磁性隧道结技术的新型准自旋场效应晶体管

近年来,自旋晶体管作为具有强大功能的未来集成电路的组成部分已得到相当多的关注.实现自旋晶体管,至关重要的是提高半导体中自旋注入和自旋检测的效率.然而,这并非容易,因为在实际中的铁磁/半导体界面存在很多问题.     

铁磁-d波超导结中的粗糙界面散射和自旋反转效应对隧道谱的影响

考虑到铁磁层中的自旋极化效应、以及界面的粗糙散射和自旋反转效应,利用推广了的Blonder Tinkham Klapwijk理论模型,计算铁磁d波超导结中的自旋极化隧道谱.研究表明1)自旋反转效应能使零偏压电导峰变得尖锐;2)粗糙的界面散射除了能压低零偏压电导峰的高度,还能使零偏压凹陷处感应出一中心峰.结果能定性地解释最近的两篇关于La_2/3Ba_1/3 MnO₃/DyBa₂Cu₃O_{7关键词： 自旋极化效应 自旋反转效应 粗糙界面散射效应 隧道谱}     

NiFe/Pt薄膜中角度相关的逆自旋霍尔效应

NiFe/Pt双层薄膜样品在铁磁共振时, NiFe磁矩进动所产生的自旋流注入到Pt层中, 由于逆自旋霍尔效应产生直流电压V_ISHE, 此电压会叠加到NiFe薄膜由于自旋整流效应而产生的电压V_SRE 上, 实验测量所得电压为V_ISHE和V_SRE的叠加. 为了区分这两种不同机理对电压的贡献, 本文采取旋转外加静磁场的方法, 通过分析所测电压随磁场角度的变化从而分离出V_ISHE 的大小. 研究结果表明, 相比于单层NiFe(20 nm)薄膜样品, NiFe(20 nm)/Pt(10 nm)双层膜样品中由于NiFe自旋注入到Pt 中导致铁磁共振线宽增加. 与逆自旋霍尔效应产生的电压相比, 自旋整流效应的贡献较小, 但不可忽略. 本文工作有助于认清铁磁/非磁性金属材料中的自旋相关效应, 并提供了一种准确的分析逆自旋霍尔效应的方法.     

半导体中自旋轨道耦合及自旋霍尔效应

本文主要评述和介绍半导体微结构中自旋轨道耦合的研究和最近的研究进展。我们细致地讨论了半导体微结构中自旋轨道耦合的物理起源和窄带隙半导体量子阱中的自旋霍尔效应。我们发现目前国际上广泛采用的线性Rashba模型在较大的电子平面波矢处失效:即自旋轨道耦合导致的能带自旋劈裂不再随电子波矢的增加而增加,而是开始下降,即出现强烈的非线性行为。这种非线性的行为起源于导带和价带间耦合的减弱。这种非线性行为还会导致电子的D’yakonov-Perel’自旋弛豫速率在较高能量处下降,与线性模型的结果完全相反。在此基础上,我们构造统一描述电子和空穴自旋霍尔效应的理论框架。我们的方法可以非微扰地计入自旋轨道耦合对本征自旋霍尔效应的影响。我们将此方法应用于强自旋轨道耦合的情形,即窄带隙CdHgTe/CdTe半导体量子阱。我们发现调节外电场或量子阱的阱宽可以作为导致量子相变和本征自旋霍尔效应的开关。我们的工作可能会为区别和实验验证本征自旋霍尔效应提供物理基础。     

半导体中自旋轨道耦合及自旋霍尔效应

本文主要评述和介绍半导体微结构中自旋轨道耦合的研究和最近的研究进展。我们细致地讨论了半导体微结构中自旋轨道耦合的物理起源和窄带隙半导体量子阱中的自旋霍尔效应。我们发现目前国际上广泛采用的线性Rashba模型在较大的电子平面波矢处失效：即自旋轨道耦合导致的能带自旋劈裂不再随电子波矢的增加而增加,而是开始下降,即出现强烈的非线性行为。这种非线性的行为起源于导带和价带间耦合的减弱。这种非线性行为还会导致电子的D’yakonov Perel’自旋弛豫速率在较高能量处下降,与线性模型的结果完全相反。在此基础上,我们构造统一描述电子和空穴自旋霍尔效应的理论框架。我们的方法可以非微扰地计入自旋轨道耦合对本征自旋霍尔效应的影响。我们将此方法应用于强自旋轨道耦合的情形,即窄带隙CdHgTe／CdTe半导体量子阱。我们发现调节外电场或量子阱的阱宽可以作为导致量子相变和本征自旋霍尔效应的开关。我们的工作可能会为区别和实验验证本征自旋霍尔效应提供物理基础。     

缀饰格子中时间反演对称破缺的量子自旋霍尔效应

<正>研究了缀饰格子中的量子自旋霍尔效应,模型中同时考虑了Rashba自旋轨道耦合和交换场的作用.缀饰格子具有简立方对称性,以零能平带和单狄拉克锥结构为主要特点.在缀饰格子中,不论是实现量子自旋霍尔效应还是量子反常霍尔效应,都需要一个不为零的内禀自旋轨道耦合作用来打开一个完全的体能隙,这与石墨烯等六角格子模型有着很大的不同.在交换场破坏了时间反演对称性的情况下,以自旋陈数为标志的量子自旋霍尔效应仍然能够存在,边缘态和极化率的相关结果也证明了这一结论.结果表明自旋陈数比z2拓扑数在表征量子自旋霍尔效应方面有着更广泛的适用范围,相应的结论为利用磁场控制量子自旋霍尔效应提出了一个理论模型和依据.     

磁性纳米电机单电子晶体管的自旋输运特性

文章作者在研究磁性隧道结的自旋输运中引入量子点的机械振动自由度,将单电子隧穿和振动自由度耦合所导致的shuttle输运理论应用到自旋电子学中.研究结果表明,shuttle输运对自旋极化输运有很大的影响,其独特的输运性质可以用来设计自旋电子器件.文章在理论上提出具有巨磁效应的自旋阀、高性能的半导体自旋注入器以及电流的整流器.     

An analytic model for gate-all-around silicon nanowire tunneling field effect transistors

An analytical model of gate-all-around(GAA) silicon nanowire tunneling field effect transistors(NW-TFETs) is developted based on the surface potential solutions in the channel direction and considering the band to band tunneling(BTBT) efficiency. The three-dimensional Poisson equation is solved to obtain the surface potential distributions in the partition regions along the channel direction for the NW-TFET, and a tunneling current model using Kane’s expression is developed. The validity of the developed model is shown by the good agreement between the model predictions and the TCAD simulation results.     

Ballistic transport in extended Datta-Das spin field effect transistors

The model of the Datta-Das spin field effect transistor [S. Datta, B. Das, Appl. Phys. Lett. 56 (1990) 665] is extended in several respects: (1) the Rashba effect and Dresselhaus effect coexist; (2) the incoming and outgoing leads are both ferromagnetic; (3) the interfacial scattering and band mismatch are taken into account. By using the Griffith boundary conditions, the transmission coefficients and, thus, the Landauer-Büttiker conductance are obtained analytically. The transmission probability and conductance of the spin field effect transistor are studied in detail.     

扫描磁场中玻色-爱因斯坦凝聚体系的奇异自旋隧穿

用平均场的方法,研究了线性扫描磁场中自旋-1玻色-爱因斯坦凝聚体系的自旋隧穿.集中考虑⁸⁷Rb这种典型的碱金属原子凝聚体,根据外磁场扫描率的不同,研究了它的隧穿动力学.在慢扫描(即绝热条件)和快扫描条件下,体系无隧穿现象.对中等大小的扫描率,发现隧穿现象,且这个隧穿动力学对磁场扫描率非常的敏感,表现为看似混沌的隧穿区的存在.然而,把这个看似混沌的区域放大,发现在扫描率精度为10^-8T/s的量级上,隧穿率对磁场扫描率的关系实际是有规律的类周期结构.此外,还发现,实 关键词： 玻色-爱因斯坦凝聚 自旋 隧穿     

扫描磁场中玻色-爱因斯坦凝聚体系的奇异自旋隧穿

用平均场的方法，研究了线性扫描磁场中自旋-1玻色-爱因斯坦凝聚体系的自旋隧穿.集中考虑⁸⁷Rb这种典型的碱金属原子凝聚体，根据外磁场扫描率的不同，研究了它的隧穿动力学.在慢扫描(即绝热条件)和快扫描条件下，体系无隧穿现象.对中等大小的扫描率，发现隧穿现象，且这个隧穿动力学对磁场扫描率非常的敏感，表现为看似混沌的隧穿区的存在.然而，把这个看似混沌的区域放大，发现在扫描率精度为10^-8T/s的量级上，隧穿率对磁场扫描率的关系实际是有规律的类周期结构.此外，还发现，实     

自旋阀中的各向异性磁电阻效应

采用平面霍尔效应测量方法，对Ta(8nm)/NiFe(7nm)/Cu(24nm)/NiFe(44nm)/FeMn(14nm)/Ta(6nm)自旋阀多层膜进行了研究.结果表明，在样品中存在着自由层和被钉扎层之间的各向异性磁电阻的“混合”效应.与通常所采用的磁电阻测量方法相结合，平面霍尔效应的测 量可以给出自旋阀中各向异性磁电阻以及自由层和被钉扎层的磁矩随外场变化的更多信息. 关键词： 自旋阀 各向异性磁电阻 平面霍尔效应     

Quantum spin Hall effect in a square-lattice model under a uniform magnetic field

We study a toy square-lattice model under a uniform magnetic field. Using the Landauer-Bttiker formula, we calculate the transport properties of the system on a two-terminal, a four-terminal and a six-terminal device. We find that the quantum spin Hall (QSH) effect appears in energy ranges where the spin-up and spin-down subsystems have different filling factors. We also study the robustness of the resulting QSH effect and find that it is robust when the Fermi levels of both spin subsystems are far away from the energy plateaus but is fragile when the Fermi level of any spin subsystem is near the energy plateaus. These results provide an example of the QSH effect with a physical origin other than time-reversal (TR) preserving spin-orbit coupling (SOC).     

High-temperature single-hole silicon transistors

We present high-temperature (77 K, 300 K) single-hole n⁺–p⁺–n transistors based on silicon diffusion nanostructures. This is made possible by utilizing a quantum wire with isolated quantum dots, which is naturally formed inside an ultrashallow p⁺-diffusion profile using nonequilibrium diffusion processes.     

Ballistic transport in nanoscale field effect transistors revealed by four-terminal DC characterization

We show that four-terminal measurements of the differential conductance of field effect transistors (FETs) can provide important insights into the transport mechanism, and in particular can reveal the presence of ballistic transport. Measurements and simulations of purposely fabricated AlGaAs–GaAs heterostructure FETs show that ballistic transport results in a pronounced peak in the derivative of the differential conductance versus the gate voltage, which splits into two peaks with increasing drain-to-source voltage. Analyzing the four-probe conductance, ballistic electron transport through the channel is revealed as the origin of the observed peak splitting.     

Shot noise of the spin inelastic tunneling through a quantum dot with single molecule-magnet

We have studied the quantum fluctuations of inelastic spin-electron scattering in quantum dot with an embedded biaxial single molecule-magnet and particularly investigated the zero-frequency shot noise and Fano factor in different magnetic fields. It is found that the shot noise and Fano factor exhibit a stepwise behaviour as bias increases in the presence of interaction between the electron and molecule-magnet for a weak magnetic field. As magnetic field becomes strong, a dip is displayed in the shot-noise-bias curve due to the suppression of inelastic shot noise caused by the quantum tunneling of magnetisation. Because of the spontaneous inelastic tunneling at zero bias, a small shot noise occurs, which results in the case of Fano factor F >> 1. Moreover, our results show that the sweeping speed can also influence the shot noise and Fano factor obviously.