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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. ������������������������������������������� ������������������������������������������� ������������������������������������������� ������������������������������������������� ������������������������������������������� ������������������������������������������� ������������������������������������������� ������������������������������������������� ������������������������������������������� ������������������������������������������� ������������������������������������������� ������������������������������������������� ������������������������������������������� ������������������������������������������� ������������������������������������������� ������������������������������������������� ������������������������������������������� ������������������������������������������� ������������������������������������������� ������������������������������������������� E A g E B g ∆E c ∆E vBanda de Valência Banda de Condução ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ����������� ����������� ����������� ����������� ����������� ����������� ����������� ����������� ����������� ����������� ����������� ����������� ����������� ����������� 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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