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Electrical creation of spin polarization in silicon at room temperature

机译：室温下在硅中电产生自旋极化

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摘要

The control and manipulation of the electron spin in semiconductors is central to spintronics, which aims to represent digital information using spin orientation rather than electron charge. Such spin-based technologies may have a profound impact on nanoelectronics, data storage, and logic and computer architectures. Recently it has become possible to induce and detect spin polarization in otherwise non-magnetic semiconductors (gallium arsenide and silicon) using all-electrical structures, but so far only at temperatures below 150 K and in n-type materials, which limits further development. Here we demonstrate room-temperature electrical injection of spin polarization into n-type and p-type silicon from a ferromagnetic tunnel contact, spin manipulation using the Hanle effect and the electrical detection of the induced spin accumulation. A spin splitting as large as 2.9 meV is created in n-type silicon, corresponding to an electron spin polarization of 4.6%. The extracted spin lifetime is greater than 140 ps for conduction electrons in heavily doped n-type silicon at 300 K and greater than 270 ps for holes in heavily doped p-type silicon at the same temperature. The spin diffusion length is greater than 230 nm for electrons and 310 nm for holes in the corresponding materials. These results open the way to the implementation of spin functionality in complementary silicon devices and electronic circuits operating at ambient temperature, and to the exploration of their prospects and the fundamental rules that govern their behaviour.%在自旋电子体系中，电子自旋的自由度代替电rn荷(传统电子体系的基本单位)作为未来基于自rn旋的电子技术、数据存储技术和计算技术的信rn息载体。受硅在当今电子领域中普遍应用的影rn响，人们曾努力去实现基于硅的自旋电子器件，rn但迄今为止，对这种器件中载荷子的成功控制rn仅限于低温下和种类型的载荷子(电子)，因rn而限制了它们的技术潜力。现在，屯特大学的rn一个小组研制出一种基于硅的“三端子”器件，rn在该器件中，他们演示了在室温下对两个电子rn和它们带正电的对应体(即“空穴”)的自旋极rn化的成功注入、操纵和检测。
机译：半导体中电子自旋的控制和操纵是自旋电子学的核心，自旋电子学旨在使用自旋取向而不是电子电荷来表示数字信息。这种基于自旋的技术可能会对纳米电子学，数据存储以及逻辑和计算机体系结构产生深远影响。近来，已经有可能使用全电结构在其他非磁性半导体（砷化镓和硅）中感应和检测自旋极化，但到目前为止，仅在低于150 K的温度和n型材料中，这限制了进一步的发展。在这里，我们演示了从铁磁隧道接触，自旋操纵使用Hanle效应进行自旋极化到n型和p型硅的室温电注入以及对感应自旋积累的电检测。在n型硅中产生高达2.9 meV的自旋分裂，对应于4.6％的电子自旋极化。对于重掺杂n型硅在300 K时的传导电子，提取的自旋寿命大于140 ps；对于在相同温度下重掺杂p型硅的空穴，提取的自旋寿命大于270 ps。电子的自旋扩散长度大于230 nm，空穴的自旋扩散长度大于310 nm。这些结果为在环境温度下工作的互补硅器件和电子电路中实现自旋功能，探索其前景以及控制其行为的基本规则开辟了道路。％在自旋电子体系中，电子自旋的自由度代替电rn荷（传统电子体系的基本单位）作为未来基于自旋的电子技术，数据存储技术和计算技术的信rn息载体。受硅在当今电子领域中普遍应用的影rn响，人们曾努力去实现基于硅的自旋电子器件，rn但至少，对这种器件中二极管子的成功控制rn仅限于低温下和种类型的结晶子（电子），因rn而限制了它们现在，屯特大学的rn一个小组开发出一种基于硅的“三端子”器件，rn在该器件中，他们演示了在室温下对两个电子rn和它们带正电的对应体（即“人群”）的自旋极rn化的成功注入，操纵和检测。

著录项

  • 来源
    《Nature》 |2009年第7272期|491-494|共4页
  • 作者

    Saroj P. Dash; Sandeep Sharma; Ram S. Patel; Michel P. de Jong; Ron Jansen;

  • 作者单位

    MESA~+ Institute for Nanotechnology, University of Twente, 7500 AE Enschede, The Netherlands;

    MESA~+ Institute for Nanotechnology, University of Twente, 7500 AE Enschede, The Netherlands;

    MESA~+ Institute for Nanotechnology, University of Twente, 7500 AE Enschede, The Netherlands;

    MESA~+ Institute for Nanotechnology, University of Twente, 7500 AE Enschede, The Netherlands;

    MESA~+ Institute for Nanotechnology, University of Twente, 7500 AE Enschede, The Netherlands;

  • 收录信息 美国《科学引文索引》(SCI);美国《工程索引》(EI);美国《生物学医学文摘》(MEDLINE);美国《化学文摘》(CA);
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