基于InAs_GaAs异质结的δ掺杂磁半导体纳米结构的电子自旋输运.pdf
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1、基于I n A s/G a A s异质结的掺杂磁半导体纳米结构的电子自旋输运李健文1,2,3,梁文斯钰1,朱昊天1,赖伊倩1,吴子明1,吴 琦1(1.南昌工程学院 理学院;2.南昌市光电转换与储能材料重点实验室;3.南昌工程学院 光电材料与新能源技术重点实验室,江西 南昌 3 3 0 0 9 9)摘 要:本文研究了基于I n A s/G a A s异质结的掺杂磁纳米结构的电子自旋输运性质。计算了透射系数、电导和自旋极化。主要分析和讨论了掺杂的权重和位置对电子自旋极化输运的影响。结果表明,掺杂权重的增加可以显著抑制电子的透射系数和电导。通过改变掺杂的权重和位置可以实现较大程度的自旋极化。研究结果
2、将有助于理解掺杂磁纳米结构中的实验现象和设计掺杂可调制自旋电子器件。关键词:磁纳米结构;掺杂;自旋极化;自旋电子器件中图分类号:O 4 8 4 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 1 3 8 0 X(2 0 2 3)0 6 0 0 3 6 0 6E l e c t r o n S p i n T r a n s p o r t o f d o p e d M a g n e t i c S e m i c o n d u c t o r N a n o s t r u c t u r e s B a s e d o n I n A s/G a A s H e t e r o j u n c
3、t i o n sL I J i a n w e n1,2,3,L I A N G W e n s i y u1,Z HU H a o t i a n1,L A I Y i q i a n1,WU Z i m i n g1,WU Q i1(1.S c h o o l o f S c i e n c e,N a n c h a n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y;2.N a n c h a n g K e y L a b o r a t o r y o f P h o t o e l e c t r i c C o n v e r s i
4、o n a n d E n e r g y S t o r a g e M a t e r i a l s;3.K e y L a b o r a t o r y o f O p t o e l e c t r o n i c M a t e r i a l s a n d N e w E n e r g y T e c h n o l o g y,N a n c h a n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y,N a n c h a n g 3 3 0 0 9 9,C h i n a)A b s t r a c t:W e i n v e
5、s t i g a t e d t h e e l e c t r o n s p i n t r a n s p o r t p r o p e r t i e s o f d o p e d m a g n e t i c n a n o s t r u c t u r e s b a s e d o n I n A s/G a A s h e t e r o j u n c t i o n s.T r a n s m i s s i o n c o e f f i c i e n t,c o n d u c t a n c e a n d s p i n p o l a r i z a
6、t i o n a r e c a l c u l a t e d.T h e e f f e c t s o f t h e w e i g h t a n d p o s i t i o n o f d o p i n g o n t h e e l e c t r o n s p i n p o l a r i z a t i o n t r a n s p o r t a r e m a i n l y a n a l y z e d a n d d i s c u s s e d.T h e r e-s u l t s s h o w t h a t t h e d o p i n
7、g w e i g h t c a n s i g n i f i c a n t l y s u p p r e s s t h e t r a n s m i s s i o n c o e f f i c i e n t a n d c o n d u c t a n c e o f e l e c-t r o n s.A l a r g e r d e g r e e o f s p i n p o l a r i z a t i o n c a n b e a c h i e v e d b y v a r y i n g t h e w e i g h t a n d p o s
8、i t i o n o f t h e d o p i n g.T h e i n-t e r e s t i n g f i n d i n g s m a y b e h e l p f u l f o r u n d e r s t a n d i n g t h e e x p e r i m e n t a l p h e n o m e n a i n d o p i n g n a n o s t r u c t u r e s a n d d e s i g-n i n g d o p e d t u n a b l e s p i n t r o n i c d e v i
9、c e s.K e y w o r d s:m a g n e t i c n a n o s t r u c t u r e;d o p i n g;s p i n p o l a r i z a t i o n;s p i n t r o n i c d e v i c e 近年来,自旋电子学引起了人们的极大研究兴趣,成为一个迅速崛起的领域,并产生重大影响。14例如,应用于存储器、光电和自旋场效应晶体管等方面的基于半导体的自旋电子器件。5自旋电子器件与传统电子器件相比具有许多优势,例如更高的运行速度和更低的功耗。45为了利用电子在各种纳米结构中的自旋极化,人们已经进行了广泛研究。61 2自
10、旋电子器件的实现取决于将自旋极化电流注入半导体的能力。24最初的工作是把自旋从铁磁金属或磁性半导体注入到半导体中,但由于存在较大的电导率失配,自旋注入的效率极低。1 3这种失配问题可以通过引入隧道势垒1 41 5和使用稀释的磁性半导体作为自旋注入器1 6得到一定程度的解决。最近,由于现代材料生长技术的快速发展,接近原子间距的尺寸控制成为可能。人们把注意力转移到另一种能显著提高自旋注入效率的自旋电子器件上,这种器件可以通过所谓的63第4 5卷 第6期2 0 2 3年6月 宜春学院学报J o u r n a l o f Y i c h u n U n i v e r s i t y V o l.4
11、 5,N o.6J u n.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2 1 1 1 6基金项目:江西省教育厅科学技术研究项目(编号:G J J 1 9 0 9 6 2);江西省大学生创新创业训练计划项目(编号:S 2 0 2 0 1 1 3 1 9 0 0 9)。作者简介:李健文(1 9 7 6),男,江西安远人,副教授,博士,硕导,研究方向为低维纳米材料的力、热、光电性质。掺杂或原子层掺杂来实现。例如,现在设计出许多电子谐振隧穿器件,其势垒或势阱中具有一个或多个掺杂。1 72 0在这些结构中电子的输运可以通过调整掺杂来适应特定应用,磁场被理想化并近似为函数。G a A s和I n A s是两种
12、非常重要的 族直接带隙半导体材料,具有较宽的带隙宽度、较高的电子迁移率,是制造电子及光电子器件的理想材料。2 12 2在基于I n A s的异质结构中,许多研究者对I n A s/G a S b和I n A s/G a A s异质结构进行研究。G n a n a s e k a r2 3研究发现,在I n A s/G a A s异质结构中,平面内的R a s h-b a自旋 轨道相互作用引起的极化率为7 5 8 5%,而D r e s s e l h a u s自旋 轨道相互作用引起的极化率则为6 07 0%。G n a n a s e k a r还研究了电场在I n A s/G a A s异
13、质结构中的作用。极化强度取决于电场和电子浓度。当电场为为2 0 k V/c m时,自旋共振之间的能量分离可以忽略不计。电场从2 0 k V/c m增加到5 0 k V/c m,自旋分离将从2.7 5降低到1.5 0 m e V。电场的进一步增加会导致自旋共振的交叉。2 4负外部电场增强了自旋分离。2 5据我们所知,文献中没有报道I n A s/G a A s异质结中掺杂和外加磁场对电子隧穿的影响。这促使我们使用传递矩阵方法研究I n A s/G a A s异质结中的自旋极化电子隧穿。为了更好地研究实际磁性纳米结构中的电子输运性质,在本文中,我们考虑了一个由实际磁场和掺杂调制的基于I n A s
14、/G a A s异质结的掺杂磁纳米结构。详细分析了掺杂位置和权重对磁性纳米结构中自旋相关透射系数、电导以及自旋极化的影响。数值计算结果表明,透射系数、电导和自旋极化明显受掺杂权重增加的抑制,通过调整掺杂的权重和位置可以实现较大程度的自旋极化。我们的研究工作将为新型自旋电子器件的开发提供相应的理论基础和科学依据。1 模型和计算方法我们研究的电子自旋器件是位于x y平面内的二维自由电子气(2 D E G),受到的掺杂和沉积在I-n A s/G a A s半导体异质结顶部的铁磁(F M)条带产生的真实磁场调制如图1所示。半导体纳米结构可通过原子尺寸控制技术制备得到。2 62 D E G受到的沿z轴方
15、向的磁场为类型,可以表示为:B=Bz(x)z=B-(x+a+d)+(x+a)+(x-a)-(x-a-d)z(1)其中B是磁场的强度,d是每个铁磁条带的宽度,a为两个铁磁条带之间的垂直距离的二分之一。我们考虑的函数势为V(x)=V(x b),其中V是函数势权重。图1(a)基于I n A s/G a A s异质结的磁半导体纳米结构;(b)磁场及函数势。在单粒子有效质量近似下,系统中沿x方向运动的电子的哈密顿量写为H=p+e A22m*+e g*4m0Bz(x)+V(x-b)(2)其中m*是有效质量,m0是静止质量,g*是有效朗德因子,=1表示电子自旋向上或向下。采用朗道规范,磁矢势可写为(A=0,
16、Ay(x),0,(2)式变为H=p2x2m*+py+e Ay(x)22m*+e g*4m0Bz(x)+V(x-b)(3)为了计算方便,我们采取无量纲处理。以磁长度lB=e B0和能量E0=c=e B0m*为特征量,把其它量表示成无量纲的形式,例如EE0E,Bz(x)B0Bz(x),xlBx,Ay(x)B0lBAz(x)。在x方向电子满足的无量纲化S c h r d i n g e r方程为:d2(x)d x2+2E-ky+Ay(x)22-m*g*Bz(x)4m0-V(x-b)(x)=0(4)令Ue f f(x)=ky+Ay(x)22+m*g*Bz(x)4m0+V(x-b),表示由电子波矢ky自
17、旋掺杂权重V等决定的有效势能,则(4)式简写为d2(x)d x2+2E-Ue f f(x)(x)=0(5)系统沿着y方向具有平移对称性,在入射区能量为E的电子波函数为l(x)=ei klx+e-i klx,x-,-a-d ,其中,为电子的反射波振幅,波矢为kl=2E-k2y。在中间各区域,电子的波函数依次可表示为1(x)=C1ei k1x+D1e-i k1x,x-a-d,-a ,其中,k1=2E-(ky-B)2;2(x)=C2ei k2x+D2e-i k2x,x-a,b ,其中,k2=2E-k2y;73第6期 李健文,梁文斯钰,朱昊天,等:基于I n A s/G a A s异质结的掺杂磁半导体
18、纳米结构的电子自旋输运 第4 5卷3(x)=C3ei k3x+D3e-i k3x,xb,a ,其中,k3=2E-k2y;4(x)=C4ei k4x+D4e-i k4x,xa,a+d ,其中,k4=2E-(ky+B)2。在透射区电子的波函数则为r(x)=ei krx,xa+d,+,其中,为电子的透射波振幅,kr=2E-k2y。采用转移矩阵方法可得1=(i kl+m*g*B2m0)e-i kl(-a-d)2i kle-i kl(-a-d)2i kl(i kl-m*g*B2m0)ei kl(-a-d)2i kl-ei kl(-a-d)2i klM1M2M3M4ei kl(a+d)e-i kl(a+d
19、)i krei kl(a+d)-i kre-i kl(a+d)0(6)其中M1=ei k1(-a-d)e-i k1(-a-d)i k1ei k1(-a-d)-i k1e-i k1(-a-d)ei k1(-a)e-i k1(-a)(i k1+V0)ei k1(-a)(-i k1+V0)e-i k1(-a)-1,M2=ei k2(-a)e-i k2(-a)i k2ei k2(-a)-i k2e-i k2(-a)ei k2be-i k2b(i k2+2V)ei k2b-(i k2-2V)e-i k2b -1,M3=ei k3be-i k3bi k3ei k3b-i k3e-i k3b ei k3ae
20、-i k3a(i k3-V0)ei k3a-(i k3+V0)e-i k3a -1,M4=ei k4ae-i k4ai k4ei k4a-i k4e-i k4a ei k4(a+d)e-i k4(a+d)(i k4+V0)ei k4(a+d)-(i k4-V0)e-i k4(a+d)-1。记转移矩阵M=M1M2M3M4=m1 1m1 2m2 1m2 2,可求得电子的透射系数为T=2=4k20(m1 1+m2 2+m*g*B2m0m1 2)k02+(-m*g*B2m0m1 1-m2 1+k20m1 2)2(7)得到透射系数后,根据L a n d a u r B t t i k e r公式,求得在
21、零温下磁纳米结构的电导:G=G02-2T(EF,2EFs i n)c o s d(8)其中是相对于x方向的入射角,EF是2 D E G的费米能,G0=e2m*vFdy2是当电子费米速度为vF和势垒结构在y方向上的长度为dy时的简化电导单位。电子自旋极化效应可通过计算透射系数的自旋极化进行评估,定义为PT=(T-T)/(T+T)(9)也可以考虑计算可测量的自旋极化PG=(G-G)/(G+G)(1 0)其中T和T分别是自旋向上和自旋向下的透射系数,G和G分别是自旋向上和自旋向下的电导。2 数值结果和讨论在接下来的计算中,结构参数取为a=3.0,d=1.0。选择I n A s为二维自由电子气材料,电
22、子的有效质量m*=0.0 2 4m0,有效朗德因子g*=1 5,载流子浓度n=1 01 5/m3。2 7施加的典型磁场B0=0.2 T时,lB=5 7.5 n m,E0=0.9 5 m e V。图2 (a)(c)掺杂权重V不同时透射系数与电子入射能量之间的关系;(d)掺杂权重V不同时自旋极化PT与电子入射能量之间的关系。其中=1表示电子自旋向上或向下,掺杂的位置固定在b=0.5。首先,我们研究了掺杂权重V对透射系数T和自旋极化PT的影响,如图2所示,(a)、(b)和(c)分别对应掺杂权重V=2.0、4.0和6.0,其中E83第6期 宜春学院学报 第4 5卷是电子入射能量。由图可以看出器件中存在
23、明显的自旋分裂,这归因于塞曼效应或自旋场相互作用,体现在式(2)中的第2项。随着掺杂权重的增大,自旋分裂现象越来越明显,透射受到更多的抑制,而自旋向下电子的透射峰明变得更尖锐。此外,随着掺杂权重的增加,对于自旋向上和自旋向下的电子,透射峰略微移动到较高能量区域。当电子入射能量增加时,极化峰值轻移到更高的能量区域,自旋极化的符号和幅度都迅速改变,如图2(d)所示。可以看出,在这种磁性纳米结构中能够实现相当大的自旋极化。图3是电子波矢ky=0.5时不同费米能下的电导G和电子自旋极化PG,其中实线和点线分别代表电子自旋向上和自旋向下。由图可知,两种自旋的电导差别很大,即存在非常明显的自旋极化现象,尤
24、其是在费米能EF/E0=1 0.0附近。在费米能较低的区域,两种自旋的电导谱均看到了一些尖峰。并且,当费米能EF/E0在1 0到1 5之间变化时,电子自旋极化PG在+1和-1之间剧烈改变。图3 (a)电导与费米能之间的关系;(b)自旋极化PG与费米能之间的关系。其中=1表示电子自旋向上或向下,掺杂的位置固定在b=0.5,掺杂的权重V=1.0。接着,我们计算了电子自旋极化对掺杂权重的依赖关系。图4(a)是费米能级EF/E0=1 52 02 5和3 0时电子自旋极化随掺杂权重的变化情况。从图中的四条曲线可以明显观察到,当权重V从负值变化到正值时,电子的自旋极化的幅度和符号将改变,特别是在费米能级E
25、F/E0=1 5.0时改变最明显。自旋极化PG随着V的变化而变化,意味着利用掺杂的权重可以调节或控制磁半导体纳米结构中电子的自旋极化度。为了更清楚地观察PG随费米能EF的变化,在图4(b)中,我们考虑了掺杂的位置固定在b=0.5时不同的掺杂权重下的电子自旋极化PG与费米能EF之间的变化关系。选择了三种不同的掺杂权重:V=2.0,4.0,6.0,结果表明都出现了明显的自旋极化效应,特别是在能量较小的情况下。自旋极化会随着权重V的改变而改变。当掺杂的权重V增大,PG曲线向右移动,PG稍微减小。图4(a)费米能不同时电子自旋极化PG与掺杂权重V之间的关系;(b)掺杂权重V不同时电子自旋极化PG与费米
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