自旋電子學(xué)與自旋電子器件簡(jiǎn)述.doc

此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系網(wǎng)站刪除自旋電子學(xué)與自旋電子器件簡(jiǎn)述陳閩江，邱彩玉，孫連峰（國(guó)家納米科學(xué)中心 器件研究室 北京 100190）一、引言2007年10月，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將該年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予在1988年分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)納米多層膜中巨磁電阻效應(yīng)的法國(guó)Albert Fert教授和德國(guó)Peter Grunberg教授。其隨后的應(yīng)用不啻為革命性的，因?yàn)樗沟糜?jì)算機(jī)硬盤(pán)的容量從幾十兆、幾百兆，一躍而提高了幾百倍，達(dá)到幾十G乃至上百G。越來(lái)越多的人開(kāi)始了解這個(gè)工作及其對(duì)我們生活的影響，并意識(shí)到這個(gè)工作方向的重要意義。1988年在磁性多層膜中發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)(Giant Magnetoresistance，GMR)，1993年和1994年在鈣鈦礦錳氧化物中發(fā)現(xiàn)龐磁電阻效應(yīng)(Colossal Magnetoresistance，CMR)，特別是1995年在鐵磁性隧道結(jié)材料中發(fā)現(xiàn)了室溫高隧穿磁電阻效應(yīng)(Tunneling Magnetoresistance，TMR)以及后續(xù)形成的稀磁半導(dǎo)體等研究熱潮，這些具有里程碑意義的人工合成磁性材料的成功制備和深入研究，不僅迅速推動(dòng)了近20年凝聚態(tài)物理新興學(xué)科自旋電子學(xué)(spintronics)的形成與快速發(fā)展，也極大地促進(jìn)了與自旋極化電子輸運(yùn)相關(guān)的磁電阻材料和新型自旋電子學(xué)器件的研制和應(yīng)用。中國(guó)科學(xué)院物理研究所朱濤研究員表示：“Albert Fert和Peter Grunberg種下了一粒種子，隨著20世紀(jì)90年代應(yīng)用的突破，這粒種子長(zhǎng)成了一棵小苗自旋電子學(xué)，這是一個(gè)成長(zhǎng)很快、前景廣闊的磁學(xué)分支?！倍㈦娮幼孕c自旋電子學(xué)要闡明自旋電子學(xué)，就不得不先簡(jiǎn)述一下電子自旋這一概念。電子自旋不是電子的機(jī)械自轉(zhuǎn)，電子自旋及磁矩是電子本身的內(nèi)稟屬性，所以也被稱(chēng)為內(nèi)稟角動(dòng)量和內(nèi)稟磁矩。它們的存在標(biāo)志電子還有一個(gè)新的內(nèi)稟自由度。所以電子狀態(tài)的完全描述不但包括空間三個(gè)自由度的坐標(biāo)（r），還必須考慮其自旋狀態(tài)。更確切地說(shuō)，要考慮自旋在某給定方向（例如z軸方向）的投影的兩個(gè)可能取值的波幅，即波函數(shù)中還應(yīng)該包含自旋投影這個(gè)變量（習(xí)慣上取為），從而記為。與連續(xù)變量r不同，只能取兩個(gè)離散值。接下來(lái)，認(rèn)識(shí)電的和磁的相互作用在強(qiáng)度上的差異和不同的特點(diǎn)，可以了解自旋電子學(xué)的潛力。電荷周?chē)嬖陔妶?chǎng)，通過(guò)靜電力和其他電荷發(fā)生相互作用，這種相互作用是強(qiáng)的和長(zhǎng)程的。在常見(jiàn)的半導(dǎo)體中，兩個(gè)相距5的元電荷間的相互作用能可達(dá)0.2eV，它正比于距離的倒數(shù)。1V的電壓可使載流子改變1eV的能量。然而距離為5的一對(duì)電子自旋之間的磁偶極耦合能卻只有約eV量級(jí)。與靜電相互作用相比，它是短程的。在高達(dá)1T的磁通密度下，自旋的能量變化只有eV量級(jí)。和靜電相互作用相比，磁的相互作用要小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。就存儲(chǔ)應(yīng)用而言，磁相互作用的短程性和弱的相互作用能意味著低功耗和高存儲(chǔ)密度，因?yàn)榭康煤芙拇帕孔游蝗钥梢员３窒嗷サ莫?dú)立性。雖然電子自旋有這么多的優(yōu)點(diǎn)可被利用，但是二次大戰(zhàn)之后，世界文明的發(fā)展都只和電子學(xué)有關(guān)系，人們從不關(guān)心電子的磁性（電子自旋）。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，小到手表，大到宇宙，電子的電性有了充分利用，但是磁性一直沉睡著。直到1988年，巨磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，第一次揭示了電子自旋的作用，因而具有重大的科學(xué)意義?，F(xiàn)在的超大規(guī)模集成電路在1平方厘米的面積上可以集成107108個(gè)電子元件。而目前公認(rèn)的器件最小尺度是20納米，一旦小于這個(gè)尺寸，傳統(tǒng)的工作原理如歐姆定理等就會(huì)失效，量子效應(yīng)則開(kāi)始起作用。量子效應(yīng)是幾率性、不可預(yù)測(cè)的，將導(dǎo)致器件工作不穩(wěn)定。要想突破這個(gè)尺寸限制，就必須利用電子的自旋，把自旋作為信息儲(chǔ)存、處理、輸運(yùn)的主體。自旋電子學(xué)是基于操縱和控制自旋的電子學(xué)。它或?qū)⒆孕ɑ虼判裕┳鳛樾畔⒌妮d體，通過(guò)電流或電壓進(jìn)行操控；或?qū)⒆孕虼艌?chǎng)作為操控電荷或電流信息的手段。操縱電子自旋是指控制自旋的布局，或操控載流子集合的自旋的相，或?qū)蝹€(gè)電子或少數(shù)電子自旋進(jìn)行相干操控。自旋電子學(xué)可同時(shí)利用電子的自旋和電荷的性質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)電子學(xué)的功能或量子計(jì)算。自旋電子學(xué)的研究對(duì)象包括電子的自旋極化、自旋相關(guān)散射、自旋弛豫以及與此相關(guān)的性質(zhì)及其應(yīng)用等。目前，自旋電子學(xué)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)都為物理學(xué)、材料科學(xué)和電子工程學(xué)等領(lǐng)域提供了廣闊的發(fā)展天地。按照美國(guó)加州大學(xué)Awschalom教授的觀點(diǎn)，自旋電子學(xué)器件可分為三個(gè)層次：一是基于鐵磁性金屬的器件；二是將自旋注入半導(dǎo)體器件；三則是單電子自旋器件。目前進(jìn)入應(yīng)用的器件（如GMR自旋閥）還只處于第一層次；對(duì)于自旋控制和自旋極化輸運(yùn)的了解處于較為膚淺的階段；對(duì)各種新現(xiàn)象、新效應(yīng)的理解基本上只是半經(jīng)典的和維象的。因此，自旋電子學(xué)的發(fā)展還面臨很多更大的挑戰(zhàn)，當(dāng)然，機(jī)遇與挑戰(zhàn)是并存的。三、基于鐵磁金屬的自旋電子器件對(duì)于普通金屬和半導(dǎo)體，自旋向上和自旋向下的電子在數(shù)量上是一樣的，所以傳統(tǒng)的金屬電子論往往忽略電子的自旋自由度。但是對(duì)于鐵磁金屬，情況則不同。在鐵磁金屬中，電子的能帶分成兩個(gè)子帶，自旋向上子帶和自旋向下子帶。這兩個(gè)子帶形狀幾乎相同，只在能量上有一個(gè)位移，這是由于鐵磁金屬中存在交換作用的結(jié)果。正是由于兩個(gè)子帶在能量上的差別，使得兩個(gè)子帶的占據(jù)情況并不相同。在費(fèi)米面處，自旋向上和自旋向下的電子態(tài)密度也是不同的。這樣在鐵磁金屬中，參與輸運(yùn)的兩種取向的電子在數(shù)量上是不等的，所以傳導(dǎo)電流也是自旋極化的。同時(shí)由于兩個(gè)子帶在費(fèi)米面處的電子態(tài)密度不同，不同自旋取向的電子在鐵磁金屬中受到的散射也是不同的。因此在系統(tǒng)中，如果存在鐵磁金屬，兩種自旋取向的電子的輸運(yùn)特性也有著顯著的差別。基于鐵磁金屬的自旋電子器件正是利用上述的電子特性設(shè)計(jì)而成的。巨磁電阻（GMR）效應(yīng) 早在1857年W.Thomson（開(kāi)爾文勛爵）就在鐵和鎳中發(fā)現(xiàn)了磁電阻效應(yīng)，即在磁場(chǎng)作用下，磁性金屬內(nèi)部電子自旋方向發(fā)生改變而導(dǎo)致電阻改變的現(xiàn)象。由于磁化方向的導(dǎo)電電阻升高而垂直方向的電阻降低，故稱(chēng)之為各向異性磁電阻（Anisotropic Maganetoresistance，AMR）。磁電阻的相對(duì)比值磁致電阻（Magnetoresistance，MR）可表示為：。和分別為有磁場(chǎng)作用下和磁場(chǎng)為零時(shí)的電阻。MR值隨磁場(chǎng)增大而增大，最后達(dá)到飽和。但鐵磁金屬與合金的飽和磁電阻值很小，只有約1%5%。1988年，F(xiàn)e/Cr金屬多層膜在外磁場(chǎng)中電阻變化率高達(dá)50%的巨磁電阻效應(yīng)（GMR）被發(fā)現(xiàn), 各國(guó)科學(xué)家開(kāi)始從理論和實(shí)驗(yàn)上對(duì)多層膜GMR效應(yīng)展開(kāi)了廣泛而深入的研究。GMR產(chǎn)生機(jī)制取決于非鐵磁層兩邊的鐵磁層中電子的磁化（磁矩）方向，用于隔離鐵磁層的非鐵磁層，只有幾個(gè)納米厚，甚至不到一個(gè)納米。當(dāng)這個(gè)隔離層的厚度是一定的數(shù)值時(shí)，鐵磁層的磁矩自發(fā)地呈現(xiàn)反平行；而加到材料的外磁場(chǎng)足夠大時(shí)，鐵磁材料磁矩的方向變?yōu)橄嗷テ叫?。電子通過(guò)與電子平均自由程相當(dāng)厚度的納米鐵磁薄膜時(shí)，自旋磁矩的取向與薄膜磁化方向一致的電子較易通過(guò)，自旋磁矩的取向與薄膜磁化方向不一致的電子難以通過(guò)。因此，當(dāng)鐵磁層的磁矩相互平行時(shí)，載流子與自旋有關(guān)的散射最小，材料有最小的電阻。當(dāng)鐵磁層的磁矩為反平行時(shí)，與自旋有關(guān)的散射最強(qiáng)，材料的電阻最大，從而使磁電阻發(fā)生很大變化。自旋閥（Spin-valve，SV） 對(duì)于反鐵磁耦合的多層膜，需要很高的外磁場(chǎng)才能觀察到GMR效應(yīng)，故并不適用于器件應(yīng)用。在GMR效應(yīng)基礎(chǔ)上人們?cè)O(shè)計(jì)出了自旋閥，使相鄰鐵磁層的磁矩不存在（或只存在很小的）交換耦合。自旋閥的核心結(jié)構(gòu)是兩邊為鐵磁層，中間為較厚的非鐵磁層構(gòu)成的GMR多層膜。其中，一邊的鐵磁層矯頑力大，磁矩固定不變，稱(chēng)為被釘扎層；而另外一層鐵磁層的磁矩對(duì)小的外加磁場(chǎng)即可響應(yīng)，為自由層。由于被釘扎層的磁矩與自由層的磁矩之間的夾角發(fā)生變化導(dǎo)致GMR的電阻值改變。如此，在較低的外磁場(chǎng)下相鄰鐵磁層磁矩能夠在平行與反平行排列之間變換，從而引起磁電阻的變化。自旋閥結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)使得巨磁電阻效應(yīng)的應(yīng)用很快變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。最常用的“頂部釘扎自旋閥”（top spin-valve）的具體結(jié)構(gòu)如圖一所示：蓋帽層緩沖層襯底自由層釘扎層中間夾層被釘扎層反鐵磁性鐵磁性鐵磁性非磁性材料GMR多層膜圖一 自旋閥（SV）疊層結(jié)構(gòu)示意圖其中，緩沖層（buffer layer）,可使鍍膜有較佳的晶體成長(zhǎng)方向，也稱(chēng)之為種子層。自由層（free layer）,由易磁化的軟磁材料所構(gòu)成。中間夾層（spacer）,為非鐵磁性材料，目的為于無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)，讓上下兩鐵磁層無(wú)耦合作用。被釘扎層（pinned layer）,被固定磁化方向的鐵磁性材料。釘扎層（biasing layer）,用于固定“被釘扎層”磁化方向的反鐵磁性材料。這種非耦合型自旋閥的優(yōu)點(diǎn)有：磁電阻變化率對(duì)外磁場(chǎng)的響應(yīng)呈線性關(guān)系，頻率特性好；飽和場(chǎng)低，靈敏度高。雖然自旋閥結(jié)構(gòu)的磁電阻變化率不高，通常只有百分之幾，但飽和場(chǎng)較低，使磁場(chǎng)靈敏度大大提高；自旋閥結(jié)構(gòu)中鐵磁層的磁矩的一致轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠有效地克服巴克豪森效應(yīng)，從而使信噪比提高。與超晶格GMR一樣，自旋閥磁電阻的來(lái)源仍歸結(jié)于磁性層/非磁性層界面處的自旋相關(guān)電子散射。自旋閥中出現(xiàn)GMR效應(yīng)必須滿足這樣的條件：傳導(dǎo)電子在鐵磁層中或在鐵磁/非鐵磁界面上的散射概率必須是自旋相關(guān)的；傳導(dǎo)電子可以來(lái)回穿過(guò)兩鐵磁層，并能夠記住自己的自旋取向，即自旋平均自由程大于隔離層厚度。磁隧道結(jié)（Magnetic Tunnel Junctions, MTJ） 非磁層為絕緣體或半導(dǎo)體的磁性多層膜即磁性隧道結(jié)。通常，磁性隧道結(jié)是由兩層納米磁性金屬薄膜（FM）和它們所夾的一層氧化物絕緣層（I）所組成的三明治結(jié)構(gòu)（FM/I/FM），I的厚度約為11.5納米，如圖二所示：V鐵磁層隧穿勢(shì)壘層鐵磁層襯底圖二 磁隧道結(jié)（MTJ）結(jié)構(gòu)示意圖這種磁性隧道結(jié)在橫跨絕緣層的電壓作用下,其隧道電流和隧道電阻依賴(lài)于兩個(gè)鐵磁層磁化強(qiáng)度的相對(duì)取向。如果兩鐵磁電極的磁化方向平行，則一個(gè)電極中費(fèi)米能級(jí)處的多數(shù)自旋態(tài)電子將進(jìn)入另一個(gè)電極中的多數(shù)自旋態(tài)的空態(tài)，同時(shí)少數(shù)自旋態(tài)電子也從一個(gè)電極進(jìn)入另一個(gè)電極的少數(shù)自旋態(tài)的空態(tài)。即磁化平行時(shí)，兩個(gè)鐵磁電極材料的能帶中多數(shù)電子自旋相同，費(fèi)米面附近可填充態(tài)之間具有最大匹配程度，因而具有最大隧道電流。如果兩電極的磁化反平行，則一個(gè)電極中費(fèi)米能級(jí)處的多數(shù)自旋態(tài)的自旋角動(dòng)量方向與另一個(gè)電極費(fèi)米能級(jí)處的少數(shù)自旋態(tài)的自旋角動(dòng)量平行，隧道電導(dǎo)過(guò)程中一個(gè)電極中費(fèi)米能級(jí)處占據(jù)多數(shù)自旋態(tài)的電子必須在另一個(gè)電極中尋找少數(shù)自旋態(tài)的空態(tài)，因而其隧道電流變?yōu)樽钚?。通過(guò)絕緣層勢(shì)壘的隧穿電子是自旋極化的，可觀測(cè)到大的隧穿磁電阻(TMR)。隧道結(jié)巨磁電阻可得到比自旋閥更高的MR數(shù)值，新近的水平在室溫下達(dá)到400%。同時(shí)，磁隧道結(jié)還具有低功率損耗、低飽和場(chǎng)等特點(diǎn)。MTJ技術(shù)已用于制備比自旋閥更先進(jìn)的磁盤(pán)讀出頭, 目前得到的磁錄密度最高約為200 Gb每平方英寸。磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Magnetic Random Access Memory，MRAM） 巨磁電阻材料的出現(xiàn)，使得MRAM作為計(jì)算機(jī)內(nèi)存芯片的設(shè)想自然被提出，用于取代體積大速度慢的磁芯隨機(jī)存儲(chǔ)器。MRAM結(jié)構(gòu)是采用納米技術(shù)，把沉積在基片上的GMR薄膜或TMR薄膜（目前更新的技術(shù)是使用TMR薄膜）制成圖形陣列，形成存儲(chǔ)單元，以相對(duì)的兩磁性層的平行磁化狀態(tài)和反平行磁化狀態(tài)分別代表信息“1”和“0”。結(jié)構(gòu)如圖三所示：bit線word線TMR結(jié)構(gòu)磁性包覆層圖三 MRAM的結(jié)構(gòu)示意圖若將上下兩層導(dǎo)線通電流，則可視為記憶單元置于相互垂直的磁場(chǎng)中。若要在其中一個(gè)記憶單元寫(xiě)入資料，例如第一行第一列，則將電流通過(guò)第一行的word線，加的電流只比臨界值要低一點(diǎn)，此時(shí)再加上一小電流到第一列的bit線，就會(huì)使得此記憶元的自由層磁化方向翻轉(zhuǎn)，從而完成信息的寫(xiě)入。通過(guò)改變兩鐵磁層的相對(duì)磁化方向，磁致電阻(MR)就會(huì)發(fā)生變化。電阻一旦變大，通過(guò)它的電流就會(huì)變小，反之亦然。因此，只需用一個(gè)三極管來(lái)判斷加電時(shí)的電流數(shù)值就能夠判斷鐵磁層磁化方向的兩種不同狀態(tài)，讀出0和1。 MRAM是一種非揮發(fā)性、隨機(jī)存取、長(zhǎng)效性和高速性的存取器。鐵磁體的磁性不會(huì)由于掉電而消失，所以它并不像一般的內(nèi)存一樣具有揮發(fā)性。關(guān)掉電源后，MRAM仍可以保持記憶完整；中央處理器讀取資料時(shí)，不一定要從頭開(kāi)始，隨時(shí)可用相同的速率從內(nèi)存的任何位置讀寫(xiě)信息；MRAM的數(shù)據(jù)以磁性為依據(jù)，以“0”或“1” 為形式，而鐵磁體的磁性幾乎是永遠(yuǎn)不消失的，因此存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)具有永久性；磁阻內(nèi)存存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)直到被外界的磁場(chǎng)影響之后，才會(huì)改變這個(gè)磁性數(shù)據(jù)，幾乎可以無(wú)限次地重寫(xiě)；MARM的存取速度高達(dá)25到100ns。MRAM的核心技術(shù)主要包括高M(jìn)R比值的磁性材料結(jié)構(gòu)，降低位元尺寸，讀寫(xiě)的架構(gòu)及方法等。四、基于半導(dǎo)體的自旋電子學(xué)cell n. 細(xì)胞；（蜂房的）巢室在半導(dǎo)體中有可能實(shí)現(xiàn)包括放大器在內(nèi)的多種功能的自旋電子學(xué)器件。在半導(dǎo)體中和自旋相關(guān)的現(xiàn)象比金屬中更為豐富。自旋極化除了和外界的磁、光、電存在各種相互作用以外，在內(nèi)部也存在多種相互作用：自旋-軌道相互作用，交換相互作用，電子自旋和核自旋之間的超精細(xì)結(jié)構(gòu)相互作用等。而且，摻雜、柵、異質(zhì)結(jié)構(gòu)等都可用來(lái)改變半導(dǎo)體材料的自旋相關(guān)的性質(zhì)。一些新的功能可以通過(guò)自旋注入、自旋輸運(yùn)和控制自旋態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些涉及半導(dǎo)體材料的自旋研究工作自然就導(dǎo)致半導(dǎo)體自旋電子學(xué)的出現(xiàn)。excitement n. 興奮；刺激按照磁性分類(lèi)，存在三種類(lèi)型的半導(dǎo)體：磁性半導(dǎo)體、稀磁半導(dǎo)體和非磁性半導(dǎo)體，如圖四所示：blouse n. 女襯衫foresee vt. 預(yù)見(jiàn)；預(yù)知(c)n. 遺憾；懊悔(b)vt. 用傳真?zhèn)鬏敚ㄎ募?a)gentle adj. 溫和的；文雅的圖四 (a)磁性半導(dǎo)體(b)稀磁半導(dǎo)體(c)非磁性半導(dǎo)體的晶格示意圖其中，稀磁半導(dǎo)體（Diluted magnetic semiconductors，DMS），是指非磁性半導(dǎo)體中，部分原子被過(guò)渡金屬元素(transition metals, TM) 取代，或部分非磁性陽(yáng)離子被稀土金屬離子替代，之后形成的磁性半導(dǎo)體。在不存在磁場(chǎng)時(shí)，稀磁半導(dǎo)體和普通半導(dǎo)體的性質(zhì)相似。它們大多是直接帶隙半導(dǎo)體，帶隙寬度、有效質(zhì)量、晶格常數(shù)等可以通過(guò)改變成分加以調(diào)整。在磁場(chǎng)下，這類(lèi)半導(dǎo)體可表現(xiàn)出順磁性，在居里溫度以下則具有鐵磁性或反鐵磁性。人們對(duì)稀磁半導(dǎo)體的興趣主要在于其鐵磁性，特別是具有高居里溫度的-族化合物。相對(duì)于鐵磁性金屬，鐵磁性半導(dǎo)體和普通半導(dǎo)體形成的異質(zhì)結(jié)具有高的自旋極化注入效率。characteristic n. 特征；特性半導(dǎo)體自旋電子學(xué)主要包括兩個(gè)領(lǐng)域：一是半導(dǎo)體磁電子學(xué)，它是將磁性功能結(jié)合進(jìn)半導(dǎo)體中，如磁性半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與磁性材料的復(fù)合材料。由此可以研制光學(xué)隔離器、磁傳感器以及非揮發(fā)性?xún)?nèi)存等半導(dǎo)體器件。如果將光學(xué)、磁學(xué)和電學(xué)性質(zhì)結(jié)合起來(lái)，還會(huì)產(chǎn)生自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管、自旋發(fā)光二極管和自旋共振隧穿器件等多功能自旋器件。另一個(gè)領(lǐng)域就是半導(dǎo)體量子自旋電子學(xué)，它主要是指自旋的量子力學(xué)特性在半導(dǎo)體中的應(yīng)用，如T赫茲光開(kāi)關(guān)、調(diào)制器、加密/解碼器以及量子比特等等。thoughtful adj. 關(guān)切的；體貼的；深思的自旋的注入、輸運(yùn)和檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)自旋電子器件最基本的條件。自旋注入就是自旋極化的形成，本質(zhì)就是自旋的非平衡布居。在自旋注入方面，最大的問(wèn)題是如何將一束高度自旋極化的電流從稀磁半導(dǎo)體有效并且沒(méi)有大損失地注入到普通半導(dǎo)體中。實(shí)現(xiàn)自旋注入主要有兩種方法，其一是光取向或光抽運(yùn)這些光學(xué)技術(shù)；而在自旋電子器件中，為便于器件的應(yīng)用，采用的是電學(xué)自旋注入。目前常用的方法主要有歐姆式自旋注入、隧道結(jié)自旋注入、熱電子自旋注入。自旋輸運(yùn)方面研究的重點(diǎn)主要是自旋極化載流子的自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度和退相干時(shí)間，分別表征自旋極化載流子在空間和時(shí)間的可控范圍。關(guān)于自旋檢測(cè)，主要采用光學(xué)和電學(xué)兩種檢測(cè)方法。光學(xué)檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)在于可以避免其他電學(xué)效應(yīng)的影響，電學(xué)檢測(cè)是最直接利用半導(dǎo)體/鐵磁界面的自旋相關(guān)輸運(yùn)性質(zhì)的檢測(cè)方法。相對(duì)于電學(xué)檢測(cè)，光學(xué)檢測(cè)方法比較成熟，取得了很大進(jìn)展。伴隨著自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管的提出，以及摻有磁性原子Mn等的半導(dǎo)體的鐵磁性的發(fā)現(xiàn)，在電子輸運(yùn)中電場(chǎng)對(duì)自旋的控制的實(shí)現(xiàn)，半導(dǎo)體中長(zhǎng)的電子自旋相干時(shí)間的發(fā)現(xiàn)，向半導(dǎo)體注入自旋極化的載流子的實(shí)現(xiàn)，自旋霍爾效應(yīng)的認(rèn)