Spin Manipulation in Halbleiter-Spin-Bauelementen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt haben wir die Spinmanipulation in Halbleitern durch ein elektrisches Feld untersucht. Dieses grundlegende Thema der Spintronik zielt darauf ab, die Funktionalität elektronischer Bauteile zu verbessern, indem der Spin eines Elektrons neben seiner elektrischen Ladung genutzt wird. Der Spin ist eine quantenmechanische Eigenschaft von Elementarteilchen wie dem Elektron, die sich wie ein Drehimpuls verhält. Das damit verbundene magnetische Moment hat in einem äußeren Magnetfeld nur zwei Ausrichtungen, nämlich parallel oder antiparallel zur Feldrichtung. Ein Ziel der Spintronik-Forschung ist es, in nichtmagnetischen Leitern spinpolarisierte Ströme zu erzeugen, d. h. Elektronenströme mit überwiegend einer Spinausrichtung, und diesen Fluss zu manipulieren, indem nicht die Ladung, sondern der Spin der Elektronen beeinflusst wird. Das Paradebeispiel eines spintronischen Bauelements ist der Spin-Feldeffekttransistor (sFET), der 1990 vorgeschlagen wurde. Dieses Bauelement ähnelt einem konventionellen FET. Es besteht aus einem zweidimensionalen Halbleiterkanal zwischen Source- und Drain-Elektrode einer Halbleiterheterostruktur, der kapazitiv mit einem Metallgate gekoppelt und durch eine dünne Isolatorschicht vom Kanal getrennt ist. Beim sFET sind jedoch die Sourceund Drainkontakte ferromagnetisch, so dass der im Kanal fließende Strom als spinpolarisiert angenommen wird und das Umschalten zwischen den Zuständen hoher und niedriger Leitfähigkeit durch eine Drehung der Spins um 180 Grad auf ihrem Weg von Source zu Drain erfolgt. Diese Manipulation erfolgt über die Spin-Bahn-Kopplung (SOC), bei der das magnetische Moment des Spins an das magnetische Moment der orbitalen Bewegung eines Elektrons gekoppelt ist. Diese Kopplung kann als effektives Magnetfeld beschrieben werden, das mit dem magnetischen Moment des Spins wechselwirkt. In diesem Magnetfeld können die Spins beim Durchlaufen des sFET-Kanals rotieren. Über ein elektrisches Feld kann die Stärke der SOC und damit die Spin-Ausrichtung zwischen Source und Drain gezielt verändert werden, wodurch sich die Leitfähigkeit des sFET steuern lässt. Trotz umfangreicher Forschung wurde die praktische Umsetzung des sFET bisher durch diverse Einschränkungen des ursprünglichen Vorschlags gehemmt. Eine davon ist die Forderung nach ballistischem Transport, bei dem die Elektronen sich zwischen Source und Drain ohne Streuung bewegen sollen, also über eine Strecke, die kürzer ist als ihre mittlere freie Weglänge. Man nahm an, dass nur dadurch die Spinpolarisation aller Elektronen erhalten bleibt und die Orientierung des gesamten Spin-Ensembles effizient gedreht werden kann. In diesem Projekt untersuchten wir Spinrotation in nicht-ballistischen Kanälen, die länger als die mittlere freie Weglänge sind. Wir konnten zeigen, dass in sehr engen Kanälen die Spinrotation ähnlich kontrolliert werden kann wie in ballistischen Kanälen. Dies zeigt, dass funktionale sFETs nicht auf kurze, ballistische Kanäle mit hoher Spin-Bahn-Kopplung beschränkt sind, wie ursprünglich postuliert, wodurch ihre Anwendbarkeit erheblich erweitert wird. Dies könnte besonders relevant für die Entwicklung von sFETs auf neuartigen Van-der-Waals-Materialplattformen sein, wo typischerweise kurze mittlere freie Weglängen auftreten Da die mittlere freie Weglänge mit steigender Temperatur abnimmt, könnte unsere Beobachtung auch den Betrieb von sFETs bei höheren Temperaturen ermöglichen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Diffusive Spin Transport in Narrow Two-Dimensional-Electron-gas Channels. Physical Review Applied, 16(1).
Eberle, F.; Schuh, D.; Bougeard, D.; Weiss, D. & Ciorga, M.
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Control of spin relaxation and spin precession in diffusive 2DEG channels, Ph.D. thesis, University of Regensburg
Franz Eberle
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Controlled Rotation of Electrically Injected Spins in a Nonballistic Spin-Field-Effect Transistor. Nano Letters, 23(11), 4815-4821.
Eberle, Franz; Schuh, Dieter; Grünewald, Benedikt; Bougeard, Dominique; Weiss, Dieter & Ciorga, Mariusz
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Linear and non-linear spin-to-charge conversion in a quantum point contact, Ph.D. thesis, University of Regensburg
Benedikt Grünewald
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Perspective on the spin field-effect transistor. Journal of Physics D: Applied Physics, 58(1), 012001.
Ciorga, Mariusz
