[论文解读] Spin injection in the non-linear regime: band bending effects

G. Schmidt, C. Gould+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2002

Quantum and electron transport phenomena被引用 5

一句话总结

本文研究了在非线性偏置条件下稀磁半导体（DMS）中的自旋注入，表明DMS/NMS界面处的能带弯曲和电荷积累会显著降低自旋注入效率。作者将电荷不平衡模型扩展以包含静电效应，证明即使施加几毫伏的电压，也会因少数自旋态的重新布居而导致自旋极化程度降低两个数量级。

ABSTRACT

Semiconductor spintronics will need to control spin injection phenomena in the non-linear regime. In order to study these effects we have performed spin injection measurements from a dilute magnetic semiconductor [(Zn,Be,Mn)Se] into nonmagnetic (Zn,Be)Se at elevated bias. When the applied voltage is increased to a few mV we find a strong decrease of the spin injection efficiency. The observed behavior is modelled by extending the charge-imbalance model for spin injection to include band bending and charge accumulation at the interface of the two compounds. We find that the observed effects can be attributed to repopulation of the minority spin level in the magnetic semiconductor.

研究动机与目标

• 理解半导体自旋电子异质结构在非线性响应区域以外的自旋注入行为。
• 识别在有限偏置下能带弯曲和电荷积累在降低自旋注入效率中的作用。
• 建立一个自洽模型，以考虑非线性输运中的静电屏蔽和界面势垒变化。
• 区分能带弯曲效应与漂移诱导机制在自旋极化抑制中的影响。
• 评估这些效应对未来自旋电子器件工作电压极限的影响。

提出的方法

• 该研究采用分子束外延生长的（Zn,Be,Mn）Se/（Zn,Be）Se异质结构，通过精确掺杂控制实现高质量自旋注入。
• 实验测量在1.6–6 K的磁低温恒温器中进行，采用准四探针几何结构以隔离器件电阻与引线效应。
• 开发了一种改进的电荷不平衡模型，其中包含DMS中电压依赖的能带弯曲，以内置电势ΔU作为关键变量。
• 该模型采用玻尔兹曼统计关系，将自旋极化β与界面处自旋能级间的能量分裂联系起来。
• 通过迭代求解Eq. (3)中的β(x=0)，然后利用Eq. (1)和(2)计算ΔR/R，生成理论曲线，其中λ_NMS和σ_NMS由实验数据标定。
• 通过V_j = IΔR + V_bias(λ_NMS/x_0)对电压轴进行标定，实现理论与实验的直接比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非线性区域之外，增加偏置电压如何影响DMS/半导体异质结构中的自旋注入效率？
• RQ2 DMS/NMS界面处的能带弯曲和电荷积累在多大程度上改变了界面处的自旋极化？
• RQ3 观测到的非线性磁阻抑制是否可由静电效应而非漂移机制解释？
• RQ4 施加电压与DMS中自旋极化降低之间的定量关系是什么？
• RQ5 温度和材料参数如何影响非线性自旋注入效应的起始点和幅度？

主要发现

• 在结上仅3–10 mV的电压降即可导致磁阻降低两个数量级，表明自旋注入效率受到强烈抑制。
• 实验数据表明，ΔR/R在1.6 K至6 K之间与温度无关，表明主导机制并非热激活。
• 采用自洽能带弯曲方法的理论建模在形状、幅度、电压范围和温度独立性方面均能复现实验曲线。
• 该模型将抑制归因于偏置下内置电势ΔU增加所引起的DMS中少数自旋能级的重新布居。
• 由于预期具有更高的场阈值且无温度依赖性，Yu和Flatté提出的漂移效应被排除为主要机制。
• 结果表明，自旋电子器件存在根本性的电压限制，因为即使微小偏置也会通过静电效应严重降低自旋极化。