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Spintrônica e Semicondutores

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III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 1
SPINTR ˆONICA: QUE BICHO ´E ESSSE?
Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o
8 de julho de 2009
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 2
Spin
Suma´rio
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 3
n O que e´ Spin
n Histo´rico
n Materiais Semicondutores
n O que e´ Spintroˆnica
n Aplicac¸o˜es
O que e´ um Spin?
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 4
As partı´culas que possuem:
n Uma massa: por exemplo o ele´tronme = 9, 11× 10−31 kg.
n Uma carga: por exemplo o ele´tron e− = −1, 602× 10−19 C
n Um spin: por exemplo o ele´tron Sz = ± 12~.
Natureza Quaˆntica do Spin
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 5
n A analogia com o momento angular intrı´nseco de uma bolinha girando em
torno do seu eixo e´ grosseira e insatisfato´ria. Ela na˜o explica, por exemplo,
porque ele e´ quantizado.
n Sua origem esta´ na mecaˆnica quaˆntica relativı´stica, elaborada por Dirac.
Descoberta do Spin
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 6
n 1925 para explicar o efeito Zeeman anoˆmalo Ralph de Laer Kronig e
Wolfgang Pauli.
n Seis meses depois Uhlenbeck e Goudsmit publicaram a ideia de Kronig.
n 1926 L. H. Thomas explica a diferenc¸a do fator 2.
Experimento de Stern-Gerlach
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 7
n Stern-Gerlach Java applet:
http://www.physics.orst.edu/~mcintyre/ph425/spins/
n Descoberta do spin do ele´tron:
http://www.ilorentz.org/history/spin/goudsmit.html
n http://www.if.ufrgs.br/~betz/quantum/SGtexto.htm
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 8
Materiais Semicondutores
Suma´rio
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 9
Materiais Semicondutores
1. Motivac¸a˜o: Propriedades Ele´tricas
2. Conduc¸a˜o Ele´trica
n Lei de Ohm
n Condutividade
3. So´lidos
4. Modelo de Bandas de Energia
5. Semicondutores
n Semiconutores intrı´nsecos
n Semiconutores extrı´nsecos
Resistividade dos Materiais
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 10
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 11
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 12
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 13
Metal × Semicondutor × Isolante
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 14
Semicondutores
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 15
Semicondutor Intrı´nseco
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 16
Semicondutor Extrı´nseco Tipo-n
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 17
Semicondutor Extrı´nseco Tipo-n
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 18
Semicondutor Extrı´nseco Tipo-p
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 19
Semicondutor Extrı´nseco Tipo-p
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 20
Heteroestruturas
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 21
Heteroestruturas: Poc¸o Quaˆntico
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 22
Heteroestruturas: Poc¸o Quaˆntico
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 23
Heteroestruturas: Superrede
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 24
Heteroestruturas: Superrede
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 25
Crescimento: MBE
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 26
Processo Fabricac¸a˜o Planar
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 27
Crescimento: Litografia
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 28
Crescimento: Litografia
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 29
Crescimento: Corrosa˜o
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 30
HEMT
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 31
HEMT
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 32
Situac¸a˜o dos Ciruitos em 2008
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 33
Situac¸a˜o em 2008
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 34
Efeito Tunel
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 35
Efeito Tunel
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 36
O efeito tu´nel consiste da probabilidade de um ele´tron passar (tunelar) por uma
regia˜o proibida classicamente. Por exemplo, uma barreira de energia potencial,
sendo que a energia potencial da barreira e´ maior que a do ele´tron, ou seja, o
ele´tron passa por dentro da barreira sem perder energia e sem causar dano a
barreira, como se houvesse um tu´nel por onde ele passaria. O tunelamento e´ um
efeito puramente quaˆntico, sem similares na mecaˆnica cla´ssica.
Em1957 surge o primeiro dispositivo formulado e construı´do de modo a aproveitar
esse fenoˆmeno: o Diodo de Efeito Tu´nel de Esaki.
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E
A
g E
B
g
∆E c
∆E vBanda de Valência
Banda de Condução
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ABA
Modelo de Uma Barreira
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 37
Considere um ele´tron na banda de conduc¸a˜o na regia˜o constituı´da por GaAs
incidindo sobre o lado equerdo da barreira de AlxGa1−xAs que tem altura V0
constante.
Vo
Al Ga Asx 1−x
V( )Z
A E
FB
−a a Z
GaAsGaAs
Coeficiente de Transmissa˜o
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 38
 0
 0.1
 0.2
 0.3
 0.4
 0.5
 0.6
 0.7
 0.8
 0.9
 1
 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
T
(
E
/
V
0
)
E/V0
Coeficiente de Transmissão
w = 50 
w = 100 
w = 200 
Dupla Barreira
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 39
zb 2a+b
Vo
−2a
A
B F B’
A’ E’
F’
V(z)
E
Poc¸o fixo, barreira varia´vel
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 40
 0
 0.1
 0.2
 0.3
 0.4
 0.5
 0.6
 0.7
 0.8
 0.9
 1
 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4
T
(
E
/
V
0
)
E/V0
Coeficiente de Transmissão
wb= 100 A
wb= 70 A
wb= 20 A
wb= 50 A
Barreiras fixas e poc¸o varia´vel
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 41
 0
 0.1
 0.2
 0.3
 0.4
 0.5
 0.6
 0.7
 0.8
 0.9
 1
 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4
T
(
E
/
V
0
)
E/V0
Coeficiente de Transmissão
ww= 20 A
ww= 50 A
ww= 70 A
ww= 100 A
Potencial Com Campo Ele´trico
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 42
P
o
t
e
n
c
i
a
l
 
(e
V
)
Z (angstrons)
−50
 0
 50
 100
 150
 200
 250
 300
 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Coeficiente de Transmissa˜o Com Campo Ele´trico
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 43
 0
 0.1
 0.2
 0.3
 0.4
 0.5
 0.6
 0.7
 0.8
 0.9
 1
 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
T
(
E
/
V
0
)
E/V0
Coeficiente de Transmissão
E = 40
E = 0
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 44
Spin
O que e´ Spintroˆnica
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 45
n Spintroˆnica e´ uma a´rea multidisciplinar cujo tema central e´ a manipulac¸a˜o
ativa do grau de liberdade, de um sistema constituı´do por um so´lido, chamado
spin.
Aplicac¸o˜es da Spintroˆnica
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 46
GMR
n Efeito da magnetoresisteˆncia gigante
n Aplicac¸o˜es: Memo´ria/Armazenamento
Baseados no Spin
n Computac¸a˜o quaˆntica
n Usa o spin do nu´cleo como qubits
Manipulac¸a˜o Cla´ssica do spin
n Transporte spin polarizado em semicondutores
n Diodos de Spin, Filtros de Spin, Spin FET.
n Lo´gica/Armazenamento.
Porque preocupar com a Spintroˆnica
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 47
n Novas questo˜es fı´sicas fundamentais
n Novos fenoˆmenos
n Novos dispositivos e aplicac¸o˜es
Vantagens em Potencial
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 48
n Memo´ria na˜o vola´teis
n Aumenta a velocidade do processamento de dados
n Aumenta a densidade de integrac¸a˜o
n Diminui o consumo de energia
Tabela Temporal
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 49
Dispositivo Invenc¸a˜o Uso Comercial
Transistor 1947 1952
GMR 1988 1997
Spin Transistor 1990 ??
Magnetoresisteˆncia Gigante
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 50
Junc¸a˜o de Tunelamento Magne´tico (MTJ)
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 51
Junc¸a˜o de Tu´nel Magne´tico: MRAM
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 52
Transistor de Spin
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 53
Aplicac¸o˜es Atuais
III Escola de Fı´sica Prof. Dr. Salviano A. Lea˜o – 54

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