Die wachsenden technologischen Herausforderungen und steigenden Kosten führen zu einem graduellen Ende der MOSFET-Skalierung. Demzufolge werden die fundamentalen physikalischen Grenzen bald erreicht werden, welche einen weiteren Fortschritt in der Rechenkapazität durch ladungsbasierte Bauelemente verhindern. Die Spin-Eigenschaften des Elektrons sind von immensem Interesse aufgrund des Potenzials für zukünftige Spin-basierte mikroelektronische Schaltungen. Moderne ladungsbasierte Elektronik wird hauptschlich mit dem Materialsystem Silizium gefertigt und es ist daher das Verständnis der Details der Spin-Ausbreitung in Silizium-Strukturen und der Manipulation mit elektrischen Mitteln der Schlüssel zu neuen Spin-basierten Geräteapplikationen.
Die Spin-Relaxierung in modernen Silizium Feldeffekttransistoren wird durch das Wechselspiel zwischen Spin-Orbit-Interaktion und der Elektronenstreuung verursacht. Es wurde zwar eine verstärkte Spin-Relaxation für dünne Silizium-Filme beobachtet, diese kann jedoch durch uniaxialen Stress substanziell unterdrückt werden. Dies macht es extrem vielversprechend für zukünftige Applikationen, da die selbe Stresskonfiguration routinemäßig verwendet wird, um eine Ladungsträgermobilitätserhöhung in modernen MOSFETs zu erzielen. Um die Spin-Flip-Raten zu evaluieren, werden die Wellenfunktionen für die zugehörigen Spin-Up und Spin-Down-Projektionen in Bezug auf die Spin-Injektionsrichtung benötigt. Der k ⋅ p Hamilton-Operator für zwei Bänder mit der Spin-Orbit-Wechselwirkung, entwickelt nahe dem X-Punkt der Brilloun-Zone, wird dazu verwendet um die Subbandenergien und die Wellenfunktionen in (001) Richtung in ultra-dünnen Siliziumfilmen unter Scherverformung zu bestimmen. Die Subbandwellenfunktion werden des Weiteren auch zur Evaluierung der zugehörigen Spin-Relaxations-Matrixelmente verwendet. Es wird gezeigt, dass Spin-Flip-Streuprozesse zwischen den zwei [001] Tälern für die Spin-Relaxation in dünnen (001) Siliziumfilmen verantwortlich sind. Die Steigerung der Spin-Lebensdauer (Spin-Kohärenzzeit) ist das Ergebnis der Unterdrückung der Intersubband-Streuung, verursacht durch die scherungsinduzierte Aufspaltung der equivalenten [001] Täler. Es ist weiters zu beobachten, dass die Spin-Relaxation sensitiv auf die Spin-Injektionsrichtung ist und die Spin-Lebensdauer auf ihr Maximum steigt, wenn die Injektionsrichtung von senkrecht zur Ebene auf in die Ebene der Probe geändert wird.
Eines der Hauptkriterien, um die Spin-basierten Feldeffekttransistor (Spin-FET) zu realisieren, ist es effiziente Spin-Injection in Silizium zu erzielen. Daher ist die Spin-Injektion in Silizium aus einem Ferromagneten durch elektrische Mittel von großen Interesse. Eine umfassende Studie zur Spin-Drift und -Diffusion in Silizium für Spin-Injektion von einem Ferromagneten einschließlich elektrischer Feldeffekte wird durchgeführt. Um das Widerstandsdiskrepanzproblem zu vermeiden, wird die Spin-Injektionsquelle als ferromagnetischer Halbleiter betrachtet. Der Effekt der Grenzflächenladungsabschirmung auf die Spin-Injektionseffizienz wird sorgfältig geprüft. Es ist zu beobachten, dass der Spin-Strom während der Injektion aus einer Ladungsverarmungsregion ansteigt im Vergleich zu einer Injektion aus einer ladungsneutralen oder Akkumulations-Region. Es ist ebenfalls zu beobachten, dass die Spin-Injektionseffizienz immer durch die Spin-Polarisation des magnetischen Materials begrenzt wird. Diese Resultate verlangen nach einer weiteren Untersuchung des Spin-Transports in Silizium, wenn nur durch eine ladungsneutrale und eine Raumladungs injeziert wird. Die substanziellen Spin-Transportunterschiede zwischen dem Spin-Injektionsverhalten durch eine Akkumulations und eine Verarmungsschicht werden untersucht, wobei in beiden Fällen die Spin-Stromdichte nicht signifikant höher sein kann als die Spinstromdichte unter Ladungsneutralität. Daher, für eine fixierte Rand-Spin-Polarisation, ist der maximale Spin-Strom immer durch seinen Wert unter der Ladungsneutralitätsbedingung bestimmt - vorrausgesetzt der Ladungsstrom wird konstant gehalten.