稀磁半导体异质结构的自旋极化输运性质

采用格林函数方法和群速近似研究在电场、磁场作用下电子渡越稀磁半导体异质结构的自旋过滤及自旋分离的特征。研究表明具有不同自旋指向的极化电子渡越同一稀磁半导体异质结构 ,不仅隧穿几率存在着显著的差异 ,而且渡越时间的差异可达几个数量级。这种差异随着外磁场的增强而加大 ,而随外电场的增强而减小。结果意味着稀磁半导体异质结构具有很好的自旋过滤效果 ,且极化电子渡越此类结构在时间上是分离的     

自旋电子学研究的最新进展

自旋极化电子的高效注入、自旋霍尔效应和自旋流的产生与探测都是目前自旋电子学中热门研究专题,世界一些著名学术刊物屡见报道。对这些重要内容的理论和实验的最新研究成果进行了介绍。通过自旋极化电子高效注入方法和材料的研究,人们期望研制出新一代自旋电子器件,进而实现应用电子自旋传输、记录和存储信息的目标。近期实验给出,自旋极化电子从铁磁金属注入半导体和金属都获得较高的极化率。各种注入方法中,自旋流直接注入法目前备受关注,因为自旋霍尔效应为自旋流的产生与探测提供了新的途径,即自旋霍尔效应可以产生自旋流,但因无霍尔电压故不容易测量;而逆自旋霍尔效应又将自旋流转化为电流,使得难以测量的自旋流又可以直接用电学方法测量。     

半导体自旋电子学的研究与应用进展

自旋电子学是一门最新发展起来的涉及磁学、电子学以及信息学的交叉学科.自旋电子器件与普通半导体电子器件相比具有不挥发、低功耗和高集成度等优点.本文介绍了半导体自旋电子学的研究对象和内容,主要包括磁性半导体、自旋注入、自旋探测以及自旋输运等.本文综述了半导体自旋电子学目前的研究进展及其在自旋电子器件和量子信息处理中的应用.     

量子自旋霍尔效应——半导体的新状态

据（SST—AP—NMD）2007年第5期报道，美国斯坦福大学的研究小组宣布发现了一种物质的新状态，具有“特别的”半导体性能，包括更低的能量损耗和更少的发热量。研究小组表示不施加外磁场也可以获得被称为“量子自旋霍尔效应”的新状态。     

Fe/GaAs中自旋注入效率的研究

自旋电子学是近年来发展迅速的一个研究领域,利用了传导电子自旋这一自由度的自旋电子器件以其提高数据处理速度、降低能量消耗、容易增加集成密度等优点正引起人们的空前关注.文中阐述了自旋的漂移-扩散方程,并对以Fe/GaAs为代表的铁磁性金属/半导体结构(FM/SC)进行了简单分析.如果选取参数适当,可以在Fe/GaAs结中获得较大的自旋注入效率.     

外延石墨烯纳米带中纯自旋流的实现

基于热自旋电子学制造的器件具有性能高、能耗低以及集成度高等特点,采用第一性原理计算的方法对体系进行研究,建立了在铁磁态石墨烯纳米带两个边缘外延出相同等腰三角形结构以获得纯自旋流的模型.计算结果表明,对该结构施加温度场可以驱动器件中的不同自旋电子向相反方向运动,形成自旋流和电荷流,微调器件的化学势可以实现电荷流为0,自旋...     

GeTe中铁电极化对自旋霍尔电导的调控研究

利用电场控制电荷的自旋流与电流相互转换是自旋电子器件的关键所在,而这种控制机制在铁电半导体GeTe中可以得到实现,因为其铁电极化可以改变自身的自旋织构。基于密度泛函理论计算,我们发现可以通过铁电极化可以进一步调节自旋霍尔电导(spinHallconductivity,简记为SHC),通过计算得到自旋霍尔电导的一个分量σxyz在带边缘附近可以达到100?/e(?cm)-1的量级,其主要原因在于电极化改变了能带结构。该研究工作为可控的自旋输运的实验和理论研究具有重要的价值,必将推动自旋电子学的进一步发展。     

自旋晶体管的最新研究进展

自旋晶体管是指利用电子自旋自由度构建的在结构上类似于传统半导体晶体管的三端自旋器件。对基于自旋劈裂的磁双极型自旋晶体管、基于热电子输运的自旋晶体管和基于Rashba效应的自旋晶体管的最新研究动态进行了评述,并对其发展前景做了展望。     

自旋阀中的极化输运与相关自旋新材料及结构研究

电子既是电荷的载体又是自旋的载体。电子作为电荷的载体,使二十世纪成为了微电子学的天下。而随着1988年巨磁电阻(GMR)效应发现以来,通过操纵电子的另一量子属性——自旋,使新一代的电子器件又多了一维控制手段。电子自旋的研究涵盖了金属磁性多层膜、磁性氧化物、磁性半导体等众多体系,探寻这些体系中自旋输运的基本原理是研究的重点。目前,基于传统自旋阀中极化输运及自旋电子学的发展,对新材料和新结构的研究尚不成熟,还有众多科学问题亟待解决,诸如:如何在室温下获得更大的巨磁电阻变化率、提高器件的稳定性及灵敏度、自旋阀中交换偏置场产生的物理根源、实现自旋同半导体完美结合的材料、结构及方法等。因此,基于国内外自旋电子学研究的重点,首先围绕最基本的自旋阀纳米多层膜结构,开展了自旋阀多层膜制备、设计、结构优化、自旋阀交换偏置核心结构物理机制探索等研究;其次,提出了三种异质结新结构,并以大自旋极化率Fe3O4磁性半金属为核心材料,开展了自旋阀、新异质结研究;最后,在理论与材料研究的基础上,对自旋器件进行了设计与实验研究,获得了一些有益的结果:(1)理论方面,基于自旋电子器件进一步发展对新结构、新材料发展的需求,提出了磁性半导体/半导体、磁性半导体/磁性半导体、自旋滤波材料/自旋滤波材料的新自旋异质结模型。理论分析发现,利用磁性半导体/半导体异质结,在负偏压的作用下可实现自旋电子的极化输运,而利用磁性半导体/磁性半导体、自旋滤波材料/自旋滤波材料异质结可实现趋于100%的磁电阻变化率。另外通过计算,对可实现的磁阻效应及对材料的要求进行了详细研究,为新材料的应用奠定了一定的理论基础。(2)虽然基于自旋阀核心结构的自旋电子器件研究已开展了多年,但如何进一步提高自旋电子器件的磁电阻效应、灵敏度、工作范围、工作稳定性和解决这些问题的物理机制,仍是自旋电子学中的一个热点。因而,首先基于Mott二流体模型发现自旋阀巨磁电阻受磁性材料、非磁性材料、自旋极化率、自旋扩散长度、厚度、尺寸、电阻率等影响明显,因而可通过改善制备工艺条件及各层的材料、厚度改善自旋阀的性能,探寻提高巨磁电阻变化率、灵敏度等的有效途径。其次,以理论分析为指导,实验上首先制备Ta/NiFe/Cu/NiFe/FeMn传统自旋阀多层膜,研究了自由层、隔离层、钉扎层、反铁磁层厚度对巨磁电阻效应的影响,找到了最佳的制备工艺;其次,研究了缓冲层材料对自旋阀灵敏度、巨磁电阻效应的影响。发现由于缓冲层元素表面自由能的影响导致了自旋阀灵敏度的改变,指出选择适当表面自由能的缓冲层,可有效改善自由层薄膜的性能,为提高器件的灵敏度提供了有效的途径;最后,基于室温磁场下制备自旋阀交换偏置场较小、工作范围较窄的问题,通过对传统结构的改进,提出了新型双交换偏置场自旋阀模型,为增大器件工作稳定性、人为调制器件工作范围,提供了有效手段。(3)交换偏置在自旋电子器件中具有核心地位,但到目前为止,其产生的物理根源、影响其大小的因素仍是未解决的难题。因而,基于自旋阀的核心结构——铁磁/反铁磁交换偏置效应,研究了NiFe/FeMn双层膜钉扎层、被钉扎层厚度、材料微结构、底钉扎、顶钉扎结构等对交换偏置的影响,分析了交换偏置产生的物理根源;研究了制备磁场大小对钉扎场大小的影响,发现了利用大磁场可实现提高交换偏置的新方法,并利用52kA/m(650Oe)的大磁场在1~2nm的NiFe钉扎层中实现了接近48kA/m(600Oe)的交换偏置场。(4)基于自旋阀测试,研究了初始测试磁场平行与反平行于交换偏置场方向,测试电流的大小对交换偏置场的影响。并用大脉冲电流,在初始测试磁场反平行于交换偏置场方向的样品中,首次实现电流矩在电流沿膜面流动自旋阀结构中对钉扎场的翻转,为铁磁/反铁磁双层膜体系产生交换偏置的机理提供了新的研究途径,并对自旋阀的应用提出了新的挑战。(5)为探寻高自旋极化率的新材料,开展了半金属磁性材料Fe3O4薄膜制备工艺的研究。通过改变溅射功率、退火温度、缓冲层、磁场沉积等,在200W溅射功率、300℃的退火温度、24kA/m(300Oe)沉积磁场的最佳条件下获得了高晶粒织构、成分单一的Fe3O4薄膜,并通过对氧气氛的调节,实现了无缓冲层高性能Fe3O4薄膜的制备。(6)利用所制备的Fe3O4薄膜,进行了基于Fe3O4自旋阀的制备,发现Fe3O4薄膜同其它金属材料间电阻率的失配,是造成巨磁电阻效应低的原因;另外,基于理论提出的磁性材料/半导体异质结,制备了Fe3O4/n-Si纳米结,初步实现了磁性材料到半导体的自旋注入与输运。     

Dirac Cone Spin Polarization of Graphene by Magnetic Insulator Proximity Effect Probed with Outermost Surface Spin Spectroscopy

The effects of the proximity contact with magnetic insulator on the spin‐dependent electronic structure of graphene are explored for the heterostructure of single‐layer graphene (SLG) and yttrium iron garnet Y₃Fe₅O₁₂ (YIG) by means of outermost surface spin spectroscopy using a spin‐polarized metastable He atom beam. In the SLG/YIG heterostructure, the Dirac cone electrons of graphene are found to be negatively spin polarized in parallel to the minority spins of YIG with a large polarization degree, without giving rise to significant changes in the π band structure. Theoretical calculations reveal the electrostatic interfacial interactions providing a strong physical adhesion and the indirect exchange interaction causing the spin polarization of SLG at the interface with YIG. The Hall device of the SLG/YIG heterostructure exhibits a nonlinear Hall resistance attributable to the anomalous Hall effect, implying the extrinsic spin–orbit interactions as another manifestation of the proximity effect.     

Hybrid Interface States and Spin Polarization at Ferromagnetic Metal–Organic Heterojunctions: Interface Engineering for Efficient Spin Injection in Organic Spintronics

Ferromagnetic metal–organic semiconductor (FM‐OSC) hybrid interfaces have been shown to play an important role for spin injection in organic spintronics. Here, 11,11,12,12‐tetracyanonaptho‐2,6‐quinodimethane (TNAP) is introduced as an interfacial layer in Co‐OSCs heterojunctions with an aim to tune the spin injection. The Co/TNAP interface is investigated by use of X‐ray and ultraviolet photoelectron spectroscopy (XPS/UPS), near edge X‐ray absorption fine structure (NEXAFS) and X‐ray magnetic circular dichroism (XMCD). Hybrid interface states (HIS) are observed at Co/TNAP interfaces, resulting from chemical interactions between Co and TNAP. The energy level alignment at the Co/TNAP/OSCs interface is also obtained, and a reduction of the hole injection barrier is demonstrated. XMCD results confirm sizeable spin polarization at the Co/TNAP hybrid interface.     

Enhanced Spin Seebeck Effect in Monolayer Tungsten Diselenide Due to Strong Spin Current Injection at Interface

The spin current is significantly limited by the spin‐orbit interaction strength, material quality, and spin‐mixing conductance at material interfaces. Such limitations lead to spin current decay at the interfaces, which severely hinders potential applications in spin‐current‐generating thermoelectric devices. Thus, methodical studies on the enhancement of spin currents are indispensable. Herein, a novel approach for enhancing the spin current injected into a normal metal, Pt, using interface effects with a ferromagnetic insulator, yttrium iron garnet (YIG), is demonstrated. This is accomplished by inserting atomically thin monolayer (ML), tungsten diselenide (WSe₂) between Pt and YIG layers. A comparative study of longitudinal spin Seebeck effect (LSSE) measurements is conducted. Two types of ML WSe₂ (continuous and large‐area ML WSe₂ and isolated ML WSe₂ flakes) are used as intermediate layers on YIG film. Notably, the insertion of ML WSe₂ between the Pt and YIG layers significantly enhances the thermopower, V_LSSE/ΔT by a factor of approximately 5.6 compared with that of the Pt/YIG reference sample. This enhancement in the measured LSSE voltages in the Pt/ML WSe₂/YIG trilayer can be explained by the increased spin‐to‐charge conversion at the interface owing to the large spin‐orbit coupling and improved spin mixing conductance with the ML WSe₂ intermediate layer.     

Robustness of Spin Polarization in Graphene‐Based Spin Valves

The decrease of spin polarization in spintronics devices under the application of a bias voltage is one of a number of currently important problems that should be solved. Here, an unprecedented robustness of the spin polarization in multilayer‐graphene spin valves at room temperature is revealed. Surprisingly, the spin polarization of injected spins is constant up to a bias voltage of +2.7 V and ?0.6 V in positive‐ and negative‐bias voltage applications at room temperature, respectively, which is superior to all spintronics devices. This finding is induced by suppression of spin scattering due to an ideal‐interface formation. Furthermore, an important accordance between theory and experiment in molecular spintronics is found by observing the fact that the signal intensity in a local scheme is double that in a nonlocal scheme, as theory predicts, which provides construction of a steadfast physical basis in this field.     

大芯径功率光纤中传输的激光束质量与偏振度研究

研究了在大芯径、多模功率光纤中传输的激光束光束质量和偏振与光纤长度的关系。用芯径为0．6mm的国产石英光纤及芯径为0．4mm和0．6mm的3M光纤做样品，实验结果表明输出光束的光束质量因子M^2值是光纤长度的双曲正切复合函数。线偏振光经光纤后其偏振度随光纤长度的变化呈指数衰减的关系。     

Spin Polarization of Chiral Amorphous Fe-Ni Electrocatalysts Enabling Efficient Electrochemical Oxygen Evolution

Chiral-induced spin selectivity is recently demonstrated in a range of spin-dependent optoelectronics and electrochemistry. Herein, a new type of amorphous chiral tartaric acid-FeNi coordination polymer fabricated by electrodeposition methods, achieving both high spin-polarization and high electrocatalytic activity for oxygen evolution, is reported. Circular dichroism shows signature optical activity from the coordination polymer. Conductive atomic force microscopy measurements demonstrate a high spin polarization through the chiral electrocatalyst, which significantly suppresses the formation of hydrogen peroxide byproducts compared to the achiral ones. These chiral Fe-Ni electrocatalysts exhibit a low overpotential of 205 and 280 mV to achieve 10 and 100 mA cm⁻², respectively.