Cпинтроника — устоявшийся термин, но существуют разные его толкования: электроника переноса спина (spin transport electronics), электроника, основанная на спине (spin-based electronics), или просто спин-электроника (spin-electronics). В наше время спинтроника изучает магнитные и магнитооптические взаимодействия в полупроводниковых структурах, динамику и когерентные свойства спинов в конденсированных средах, а также квантовые магнитные явления в структурах нанометрового размера.

В настоящее время идет активная работа над созданием магнитных полупроводников, которые удовлетворяли бы всем требованиям, предъявляемым спинтроникой.

• Во-первых, материалы, из которых будут изготавливаться элементы спинтроники, не должны менять своих свойств под воздействием влажности, давления, температуры.
• Во-вторых, они должны быть „технологичными“, например, допускать нанесение омических контактов и быть интегрируемыми с современной кремниевой электроникой.
• В-третьих, центральным вопросом спинтроники является вопрос о времени спиновой когерентности. Если это время слишком мало, то разориентация спинов приводит к потере информации, переносимой каждым спином.
• В-четвертых, используемые материалы должны обладать высокой подвижностью носителей заряда и быть ферромагнитными при комнатной температуре.

Рис. 1. Спин-поляризованный полевой транзистор (Spin polarized field effect transistor ).

„Полупроводниковая“ спинтроника в отличие от спинтроники „металлорганической“ во многом удовлетворяет перечисленным выше требованиям. Уникальные физические свойства магнитных полупроводников связаны с наличием в их зонной структуре особой — третьей зоны, которая образуется электронными d- и f-оболочками атомов переходных или редкоземельных элементов.

В настоящее время идет интенсивный поиск новых ферромагнитных полупроводников с более высокой температурой Кюри, которые могли бы быть использованы в качестве спиновых инжекторов при температурах порядка комнатной и при слабом внешнем магнитном поле.

Нанопроволоки оптически прозрачных полупроводников II, VI групп, такие как CdS, CdSe, ZnS, достаточно хорошо изучены ввиду их уникальных оптических свойств. Легирование подобных нанопроволок переходными металлами позволило бы управлять их оптическими свойствами при помощи магнитного поля.

Рис. 2. Спиновый светодиод (spin light-emitting diode).

К настоящему времени синтезированы различные металл-оксидные нанопроволоки, легированные переходными металлами, такими как Mn, Co, Ni. Нанопроволоки магнитных полупроводников p- и n-типов на основе Zn1−xMxO (где M = Mn,Co, Ni) открывают возможность создания биполярного спинового транзистора. На реалистичность создания такого прибора указывает ферромагнетизм нанопроволок Zn1−xMxO, выращенных методом CVD. Он обусловлен косвенным обменным взаимодействием за счет переноса спина подвижными носителями заряда — дырками и электронами. На основе нанопроволок TiO₂, легированных кобальтом, и на основе нанокабеля типа ядро–оболочка ZnO/Zn1−xCoxO может быть создан spin-FET (spin field-effect transistor — спиновой полевой транзистор).

Магнитные проводники III, V групп достаточно хорошо изучены как теоретически, так и экспериментально. Наиболее известными являются разбавленные магнитные полупроводники на основе арсенида галлия, легированного Мn. Марганец оказался наиболее подходящей магнитной примесью благодаря своей высокой растворимости и диффузионной способности. К настоящему времени получены магнитные полупроводники с TC∼ 160 K на основе p-(Ga1−xMnx)As. В широкощелевых материалах p-(Ga,Mn)Р, а также p- и n-(Ga,Mn)N ферромагнетизм обнаружен и при температурах, превышающих комнатную. Исследование магнитных и магнитотранспортных свойств нанопроволок Ga1−xMnxP и Ga1−xMnxN, выращенных методом CVD, показало, что нанопроволоки являются магнитожестким ферромагнетиком с температурой Кюри TC = 330 K, кроме того, магнитосопротивление этих проволок отрицательное.

На основе МП III, V групп уже созданы прототипы spin-FET и spin-LED (spin light-emitting diode — спиновый светодиод). В spin-FET истоком и стоком служат ферромагнетики, соединенные узким полупроводниковым каналом. Спины электронов, инжектируемых в полупроводник, устанавливаются параллельно намагниченности истока. Таким образом, от истока к стоку течет спин-поляризованный ток. Если сток и исток намагничены в одном направлении, что между ними течет электрический ток. В spin-LED спин-поляризованные носители инжектируются из контакта, объединенного с композитным материалом, содержащим, например, нанопроволоки Ga1−xMnxN. Spin-LED может быть использован для передачи информации с помощью спин-кодов. Излучая свет определенной поляризации, зависящей от ориентации спинов, spin-LED позволяет кодировать информацию, переносимую поляризованным светом. Упомянутые приборы требуют получения наноразмерных проволок для их реализации.

В отличие от нанопроволок МП групп II, VI и III, V сведения о создании и исследовании нанопроволок МП группы IV в литературе очень скудны. Впервые о синтезе и исследовании нанопроволок МП группы IV сообщили исследователи из National Physical Laboratory (Teddington, United Kingdom) и University College Cork (Cork, Ireland). Нанопроволоки выращивали методом SCF (supercritical fluid — сверхкритической жидкости).

Наряду с нанопроволоками на основе магнитных полупроводников создают тонкие магнитные пленки, практический интерес к которым обусловлен тем, что методом литографии из них могут быть приготовлены упорядоченные ансамбли наноструктур, используемые для хранения информации.

К настоящему моменту разработана методика получения и аттестации нанокомпозитов, содержащих массивы упорядоченных полупроводниковых ферромагнитных нанопроволок в мембранах анодированного оксида алюминия. Это методика позволяет получать прообразы микрочипов на основе ориентированных нанопроволок с легко регулируемыми и надежно воспроизводимыми геометрическими параметрами элементарных ячеек памяти.

Уже созданы лабораторные прототипы приборов спинтроники, такие как однополярный спиновый транзистор и магнитный биполярный транзистор, уже поступили в продажу модули оперативной памяти на основе MRAM. Все эти приборы также требуют создания нанопроволок и тонких пленок магнитных полупроводников.

По материалам статьи Охапкиной Д.Ю., Козьменковой А., Матвеева М.,Охапкина Д., Ящука Т. (ФНМ МГУ).