[论文解读] Enhanced Spin Lifetime and Long-Range Spin Transport in p-Silicon using Spin Gapless Semiconductor as Ferromagnetic Injector

Nilay Maji, Subham Mohanty+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2026

Heusler alloys: electronic and magnetic properties被引用 0

一句话总结

显示使用 Mn2CoAl 作为自旋注入体，在轻掺杂的 p 型硅中实现电学自旋注入、累积与传输，获得可测的自旋寿命与远距离扩散。

ABSTRACT

Electrical spin injection and transport in silicon are central challenges for realizing semiconductor-based spintronic devices, particularly in p-type Si, where strong spin relaxation and interface effects often suppress detectable spin signals. Here, we report electrical spin injection, accumulation, and transport in lightly doped p-type silicon using the spin-gapless Heusler compound Mn$_2$CoAl as a ferromagnetic spin injector, separated from the p-Si channel by a thin MgO tunnel barrier in a lateral device geometry. Spin transport is systematically investigated through three-terminal (3-T) Hanle and four-terminal (4-T) nonlocal (NL) spin-valve and Hanle measurements. Clear Lorentzian Hanle signals are observed in the 3-T configuration from 5 K up to room temperature, yielding a spin lifetime of $\sim$0.68 ns at 300 K that increases to $\sim$4.11 ns at 5 K. Temperature-dependent analysis reveals a weak power-law dependence of the spin lifetime, indicating Bir--Aronov--Pikus--type spin relaxation mechanism. To validate genuine spin transport, NL spin-valve and Hanle measurements were performed, revealing well-defined spin-valve switching and controlled spin precession at 5 K. From NL Hanle fitting, a spin lifetime of $\sim$5.65 ns and a spin diffusion length of $\sim$0.82 $μ$m are extracted, confirming diffusive long-range spin transport in the p-Si channel. Although NL signals diminish at elevated temperatures due to reduced interfacial spin polarization and thermal noise, the combined 3-T and 4-T results establish spin-gapless Mn$_2$CoAl as an effective spin injector for p-type silicon. These findings highlight the potential of spin-gapless semiconductors for improving spin injection efficiency and advancing Si-compatible spintronic devices.

研究动机与目标

• 在自旋弛豫强、界面信号受阻的 p 型硅中，激发并实现电学自旋注入与传输的目标与可行性。
• 以自旋缺口半导体（Mn2CoAl）作为铁磁注入体，提升向 p-Si 的自旋注入效率。
• 通过在不同温度下的三端 Hanle 与非局域测量来表征自旋寿命、扩散长度与传输机制。
• 通过结合三端和四端测量，验证真实的自旋传输，呈现自旋阀行为与可控前旋。

提出的方法

• 制作一个横向器件，Mn2CoAl 作为铁磁注入体，通过一层薄 MgO 隔离层与轻掺 p-Si 通道分离。
• 进行三端（3-T）Hanle 测量，在 5 K 至 300 K 范围内检测洛伦兹型自旋信号。
• 进行四端（4-T）非局域（NL）自旋阀与 Hanle 测量，通过 NL Hanle 拟合提取自旋寿命与扩散长度。
• 分析自旋寿命的温度依赖性，以识别主导的自旋弛豫机制（Bir–Aronov–Pikus 型）。
• 从 NL 数据中提取自旋寿命与扩散长度，以证实在 p-Si 中的扩散性长程自旋传输。

实验结果

研究问题

• RQ1 自旋缺口半导体是否能通过隧穿屏障有效向 p 型硅注入自旋？
• RQ2 使用 Mn2CoAl 作为注入体，在温度范围内轻掺 p-Si 的自旋寿命与扩散长度是多少？
• RQ3 3-T Hanle 与 4-T 非局域测量能否提供一致的 p-Si 自旋传输证据？
• RQ4 该系统中主导的自旋弛豫机制是什么？
• RQ5 界面自旋极化与热噪声如何影响高温下的自旋信号？

主要发现

• 3-T Hanle 信号从 5 K 到 300 K 可观测，在 300 K 时自旋寿命约为 ~0.68 ns，在 5 K 时约为 ~4.11 ns。
• NL 自旋阀与 Hanle 测量在 5 K 显示出明确的自旋开关与自旋前旋。
• NL Hanle 拟合给出自旋寿命约 ~5.65 ns，自旋扩散长度约 ~0.82 μm，证实在 p-Si 中的扩散性长程自旋传输。
• 自旋寿命对温度呈现与 Bir–Aronov–Pikus 型弛豫一致的微弱幂律依赖。
• 由于界面自旋极化与热噪声降低，信号在高温下降低；但 3-T 与 4-T 数据共同验证了 Mn2CoAl 作为 p 型硅有效自旋注入源。