Новини

 

Фізичні основи спінової електроніки

04.12.2003
У монографії О.В.Третяка, В.А. Львова та О.В. Барабанова “Фізичні основи спінової електроніки” викладено історію розвитку уявлень про магнетизм електронних систем і спін електрона та надано основні відомості з квантової механіки, теорії магнетизму і фізики твердого тіла, необхідні для розгляду спін-залежних явищ у напівпровідниках та металах. Послідовно наведено основні результати досліджень спін-залежної рекомбінації носіїв струму та електричне детектованого магнітного резонансу в напівпровідниках. Розглянуто спін-залежні ефекти, які лежать в основі принципів дії приладів спінової електроніки, та схеми реальних приладів.

По суті ця книга є загальним фізичним вступом до надсучасного напрямку фізики та техніки наноелектроніки - спінтроніки. На відміну від традиційної електроніки, для спінтроніки, поряд із такими фундаментальними характеристиками електронів та дірок, як знак заряду і ефективна маса, є важливим також їх внутрішній механічний момент - спін. Більш того, саме спін та пов'язаний з ним магнітний момент електрона розглядається у спінтроніці як основний чинник, що керує роботою електричних пристроїв.

Як відомо, при розробці електронних приладів використовуються результати розгалужених досліджень електрофізичних явищ у твердих тілах, насамперед, металах та напівпровідниках. Абсолютно природно, що поряд з цими результатами при створенні ефективно діючих приладів спінтроніки треба зважати також на основні положення фізики спінового магнетизму твердих тіл. Це означає, що як наукова дисципліна, спінтроніка лежить на стику кількох великих розділів фізики - магнетизму, статистичної механіки, фізичної кінетики, фізики напівпровідників, тощо. Отже, вченому або інженеру, який зацікавився спінтронікою, або вже розпочинає працювати у цій галузі, доцільно мати під рукою посібник, який починається із стислого викладення тих відомостей з перелічених розділів фізики, які безпосередньо стосуються обраного ним напрямку досліджень, а закінчується описом принципів дії конкретних спінтронних приладів. Саме таким чином побудовано дану книгу.

У главі 1 стисло викладено історію розвитку уявлень про магнетизм електронних систем і спін електрона, надано основні відомості з квантової механіки, теорії магнетизму і магнітного резонансу, необхідні для розуміння спін-залежних електрофізичних явищ та принципів дії приладів спінтроніки. Цю главу написано для читачів, які не вивчали фізику магнетизму в ході своєї основної освіти.

Глава 2 починається із нагадування тих відомостей фізики напівпровідників, які допомагають зрозуміти суть спін-залежних явищ, спостережених у напівпровідникових системах. Далі у цій главі читачеві надається загальне уявлення про спінову поляризацію електронного газу, спін-залежну рекомбінацію електронів та дірок у напівпровідниках, спін-залежний перенос та розсіяння носіїв заряду у металах та напівпровідниках. Читачі, знайомі із загальним курсом фізики напівпровідників, можуть пропустити перші два розділи цієї глави, тобто розділи 7 та 8.

Глава 3 містить послідовний і дуже докладний розгляд спін-залежної рекомбінації у напівпровідниках та основаного на цьому явищі надчутливого методу електронної магнітної спектроскопії - методу електрично детектованого магнітного резонансу. Явище спін-залежної рекомбінації не розглядається в оглядових статтях та книжках зі спінтроніки, які вийшли друком на Заході протягом останніх двох років. Однак, історично, саме при вивченні спін-залежної рекомбінації вчені вперше зіткнулися з тими проблемами, які пізніше повстали перед спінтронікою, і знайшли певні шляхи до подолання цих проблем. Автори радять усім читачам, зацікавленим у глибокому розумінні фізичних засад спінтроніки, прочитати перші три розділи цієї глави, тобто розділи 10-12. Розділи 13-17 можуть бути цікавими, переважно, для фізиків-теоретиків.

У главі 4 розглянуто явище гігантського магнітоопору планарних металевих та напівпровідникових систем, винайдення якого і поклало початок бурхливому розвитку спінтроніки. Особливістю цієї глави є те, що вона поєднує загальнотеоретичний аналіз спін-залежних явищ у планарних наноструктурах з описом конкретних спінтронних приладів. Тут наведено також посилання на найважливіші оригінальні та оглядові статті зі спінтроніки, які можуть полегшити читачеві орієнтування серед дуже чисельних публікацій, які щороку з'являються у цій галузі фізики.

На думку авторів, окреслена вище структура роботи полегшить завдання тим спеціалістам з фізики напівпровідників і дослідникам магнітних властивостей твердого тіла, які бажають якнайшвидше ввійти до кола проблем спінтроніки. Робота може бути цікавою також для інших науковців та аспірантів, що спеціалізуються в галузі фізики напівпровідників напівпровідникових пристроїв та магнітного резонансу. Більш того, матеріал перших двох глав може бути використаний викладачами курсів квантової механіки та фізики твердого тіла.

Головний висновок більше, ніж тридцятирічних досліджень спін-залежних явищ у немагнітних напівпровідниках полягає в тому, що ці явища є важливими як для фундаментальної, так і для прикладної фізики, незважаючи на малість відносної зміни електрофізичних характеристик напівпровідникових структур під впливом магнітних полів.

У загальній структурі фундаментальних досліджень спін-залежних ефектів у напівпровідниках чільне місце посідає експериментальне та теоретичне вивчення спін-залежної рекомбінації носіїв заряду, оскільки саме швидкість рекомбінації визначає стаціонарну концентрацію нерівноважного електронно-діркового газу у напівпровіднику. Головна особливість експериментального спостереження спін-залежної рекомбінації полягає у використанні явища магнітного резонансу як знаряддя впливу на фізичний стан нерівноважного електронного газу. Ця особливість, з одного боку, уможливила розробку надчутливого методу спостереження електронного спінового резонансу у напівпровідниках (електрично детектованого магнітного резонансу), а з іншого - зумовила створення цікавих теоретичних моделей поведінки нерівноважного електронного газу у магнітному полі.

Специфічною рисою теоретичних моделей спін-залежної рекомбінації є одночасне врахування динамічних та кінетичних характеристик газу і вивчення зміни цих характеристик під сумісним впливом стаціонарного магнітного поля та змінного поля високої або надвисокої частоти. Спрощений теоретичний розгляд дозволяє на якісному рівні пояснити причини резонансного зменшення нерівноважної електропровідності напівпровідника, а послідовна квантова теорія, по-перше, добре описує залежність величини цього ефекту від величини стаціонарного та амплітуди змінного поля, а по-друге, передбачає можливість не лише зменшення, а й збільшення електропровідності в умовах магнітного резонансу.

Щодо прикладних досліджень спін-залежних явищ у твердих тілах, то тут основні сподівання покладаються на вивчення спін-залежного електронного транспорту в наноструктурах. Такі дослідження утворюють зараз один з напрямків нового розділу твердотільної електроніки - спінтроніки. Сьогодні спінтроніка знаходиться на етапі створення і включає різноманітні наукові розробки: технологічні, експериментальні та теоретичні, але в основі загального зацікавлення цією галуззю фізики лежать ті переваги, які має перехід до нанометрових розмірів конструктивних елементів електронного пристрою у разі поєднання в ньому напівпровідникових і феромагнітних матеріалів.

Зараз запропоновано досить багато спінтронних приладів, а деякі з них, такі, як датчики магнітного поля, широко використовуються. Створення інших приладів, які можуть використовуватися як елементи обчислювальних машин, є справою найближчого майбутнього.

Отже, незважаючи на великий обсяг досліджень та істотні досягнення у розумінні та використанні спін-залежних явищ у твердих тілах, розвиток цього напрямку фізики твердого тіла продовжується у зростаючому темпі.

Автори сподіваються, що їх книжка приверне до спін-залежних явищ і спінтроніки увагу тих вчених, аспірантів і студентів, які мають бажання визначити, розширити або змінити напрямок своєї наукової активності.

Видання розраховано на спеціалістів з фізики напівпровідників та дослідників магнітних властивостей твердого тіла; буде цікавим для науковців та аспірантів, що спеціалізуються у галузі фізики напівпровідників та напівпровідникових пристроїв; може бути використано при викладанні курсів квантової механіки та фізики твердого тіла.
Інформаційно-обчислювальний центр університету

© Всі права захищені 1995-2024