自旋电子学和计算机硬件产业

1988年发现的巨磁电阻(GMR)效应,是基于自旋的新电子学的开始.文章介绍观察效应的物理基础,以及这些效应和材料在信息存储上的应用.GMR硬盘(HDD)已经形成了数十亿美元的工业;其后发现的室温隧道磁电阻(TMR)效应已用于制造新的磁随机存储器(MRAM),它正在开创另一个数十亿美元的工业.自旋电子学研究的物理对象是自旋向上和自旋向下的载流子,而传统半导体电子学的对象是电荷为正和电荷为负的载流子,即空穴和电子.电子自旋特性进入半导体电子学,为新的器件创造了机会.为了成功地将电子自旋结合到半导体微电子技术中去,需要解决磁性原子自旋极化状态的控制,以及自旋极化载流子电流的有效注入、传输、控制、操纵和检测.评述了基于电子自旋的新器件原理、新材料的探索以及自旋相干态的光学操纵.     

高自旋极化氧化物材料的颗粒边界磁电阻效应

颗粒边界磁电阻是高自旋极化氧化物颗粒体系中由于颗粒边界的存在而导致显著的磁电阻效应。本文将这种磁电阻效应定义为颗粒边界磁电阻效应。这里所说的颗粒边界,包括各种自然和人工晶界、粉末颗粒表面、复合材料中的颗粒界面等多种情况;所涉及的材料包括高自旋极化氧化物多晶、压缩粉末和各种复合材料等。对颗粒边界磁电阻效应的研究,不仅有助于人们进一步理解高自旋极化氧化物磁输运性质的基本机制,并为寻求具有高磁电阻效应的新型自旋电子学器件提供理论基础。本文综述了高自旋极化氧化物颗粒边界磁电阻研究的主要背景和发展现状,介绍了该领域中主要的实验发现和理论模型,展望了未来的发展。     

稀磁半导体--自旋和电荷的桥梁

稀磁半导体可能同时利用载流子的自旋和电荷自由度构造将磁、电集于一体的半导体器件．尤其是铁磁半导体材料的出现带动了半导体自旋电子学的发展．室温铁磁半导体材料的制备，半导体材料中有效的自旋注入，以及自旋在半导体结构中输运和操作已成为目前半导体自旋电子学领域中的热门课题．稀磁半导体呈现出强烈的自旋相关的光学性质和输运性质，这些效应为人们制备半导体自旋电子学器件提供了物理基础．     

自旋电子学研究与进展

自旋电子学是最近几年在凝聚态物理中发展起来的新学科分支，它研究在固体中自旋自由度的有效控制和操纵，在金属和半导体中自旋极化、自旋动力学、自旋极化的输运和自旋电子检测．由于它在信息存储方面的重大应用前景，受到学术界和工业界的高度重视．文章扼要地介绍了自旋电子学发展的历程和发展中的最重要的发现．最近几年，最奇特的发现和最重要的应用莫过于巨磁电阻，薄膜领域纳米技术的迅速发展使巨磁电阻的应用变成可能．作为磁记录头它已使硬磁盘的记录密度提高到170Gbit／in^2．动态随机存储器MRAM的研究已实现16Mbit的存储密度．     

自旋输运和巨磁电阻--自旋电子学的物理基础之一

介绍磁性纳米结构和锰氧化物中电子的自旋极化输运和巨磁电阻效应，它们是新近发展的自旋电子学的物理基础之一．着重讨论的是以下三方面的基本物理图像：磁多层结构的巨磁电阻，铁磁隧道结的隧穿磁电阻，掺杂锰氧化物的庞磁电阻效应．     

高自旋极化氧化物材料的颗粒边界磁电阻效应

颗粒边界磁电阻是高自旋极化氧化物颗粒体系中由于颗粒边界的存在而导致显著的磁电阻效应。本文将这种磁电阻效应定义为颗粒边界磁电阻效应。这里所说的颗粒边界,包括各种自然和人工晶界、粉末颗粒表面、复合材料中的颗粒界面等多种情况;所涉及的材料包括高自旋极化氧化物多晶、压缩粉末和各种复合材料等。对颗粒边界磁电阻效应的研究,不仅有助于人们进一步理解高自旋极化氧化物磁输运性质的基本机制,并为寻求具有高磁电阻效应的新型自旋电子学器件提供理论基础。本文综述了高自旋极化氧化物颗粒边界磁电阻研究的主要背景和发展现状,介绍了该领域中主要的实验发现和理论模型,展望了未来的发展。     

稀土掺杂锰氧化物庞磁电阻效应

过去十多年来，具有庞磁电阻效应的稀土掺杂锰氧化物成为了凝聚态物理研究的重要领域。锰氧化物的载流子自旋极化率高，且在居里温度附近表现出很大的磁电阻效应，因此在自旋电子学中有潜在的应用前景。另一方面，锰氧化物是典型的强关联电子体系，它对目前有关强关联体系的认识提出了很大挑战。本文综述了锰氧化物的各种性质及其物理原因。全文首先概述了锰氧化物的庞磁电阻效应及其晶格和电子结构，简单介绍了其他一些庞磁电阻材料；随后综述了锰氧化物的电荷／轨道有序相及其输运性质；在第四部分简单介绍了锰氧化物中庞磁电阻效应的机制；最后讨论了锰氧化物的一些可能的应用，如低场磁电阻效应、磁隧道结、磁p-n结以及全钙钛矿的场效应管和自旋极化电子注入装置等。     

磁电子学中的若干问题

本文综述了自旋极化输运过程中巡游电子的自旋极化、自旋相关的散射及自旋弛豫等三方面的内容；全面总结了铁磁金属的磁电阻效应（ＡＭＲ）、磁性金属多层膜和颗粒膜的巨磁电阻效应（ＧＭＲ）、氧化物铁磁体的特大磁电阻效应（ＣＭＲ）以及磁隧道结的巨大隧道电阻效应（ＴＭＲ）研究中具有代表性的实验结果及理论模型；简单介绍了新生的磁电子器件—磁电阻型随机存取存储器（ＭＲＡＭ）和全金属自旋晶体管的工作原理和工作过程。     

第五讲 自旋极化输运及隧道巨磁电阻效应

简要回顾了利用量子隧道效应测定铁磁金属传导电子自旋极化率的研究历史，综述了自旋极化电子隧穿产应导致的“铁磁金属／非磁绝缘体／铁磁金属”三层平面型隧道结中的巨磁电阻效应以及“铁磁金属／非磁绝缘体”颗粒膜系统中的隧穿类型巨磁电阻效应的研究进展。     

磁电子学讲座 第八讲 磁电子学——一门新型交叉学科

简要介绍磁电子学的基本概念、研究对象、应用背景．重点介绍自旋极化电子在人工结构材料中的一些特殊输运性质，例如，巨磁电阻效应、磁隧道效应、自旋极化电子的注入效应、沟道效应，以及依据这些效应和特性做成的各种新型电子器件的原理，例如，计算机磁头、磁随机存储器（ＭＲＡＭ）、自旋开关三极管、铁电场效应三极管、电流放大器和逻辑元件等．     

自旋电子学和自旋流

传统的电子学完全忽略了电子自旋,这使人们在探索未来半导体工业发展时有了新的契机和可能的研究方向.自旋电子学旨在利用电子自旋而非传统的电子电荷为基础, 探讨研发新一代电子产品的可能性.文章简单介绍了自旋电子学的动机、物理基础以及研究内容,并重点介绍了在自旋电子学器件中起关键作用的自旋流.文章从自旋流的定义、它能产生的物理性质和最近有关自旋流探测的理论和实验进展等三个方面进行阐述.     

半导体纳米材料和物理

半导体纳米材料是纳米材料的一个重要组成部分，纳米结构的电子和光子器件将成为下一代微电子和光电子器件的核心。文章介绍了半导体纳米材料研究的新进展，包括四个方面：半导体自组织生长量子点，纳米晶体，微腔光子晶体和纳米结构中的自旋电子学。本世纪开始的半导体纳米材料的研究是上世纪半导体超晶格量子阱研究的延续，同时又开辟了一些新的领域，如：单电子的电子学、单光子的光子学，微腔和光子晶体，稀磁半导体和自旋电子的相干输运等，这些研究将为研制在新原理基础上的新器件和实现量子计算、量子通信打下基础。     

(CoFe)_(1-x)Ag_x颗粒巨磁电阻薄膜的磁折射效应研究

在线非接触测试巨磁电阻效应对磁电子器件的工业化生产具有重要的意义 .用红外光谱研究了 (CoFe) 1 -xAgx颗粒薄膜的磁折射效应 ,研究表明在红外波段 ,一级近似可以认为巨磁电阻比值与磁折射变化率成正比 ,可以利用磁折射效应作为在线非接触工具测量与自旋散射相关的巨磁电阻效应 .     

磁电子学器件应用原理

本文介绍几种重要的磁电子器件的基本结构和工作原理,包括巨磁电阻与隧穿磁电阻传感器、巨磁电阻隔离器、巨磁电阻与隧穿磁电阻硬盘读出磁头、磁电阻随机存取存储器、自旋转移磁化反转与微波振荡器。自旋晶体管作为未来磁电子学或自旋电子学时代的基本元素,目前大都还处在概念型阶段,本文也将对几种自旋晶体管的大致原理作简要介绍。     

Progress in spintronics

The discovery of the giant magnetoresistance (GMR) by Peter Grünberg and Albert Fert in 1988, which was awarded with the Nobel Prize for Physics in 2007, initiated an upsurge of experimental and theoretical investigations on spin dependent transport phenomena. Since then, spin valves have been introduced, switching via spin torque was proposed and confirmed, the tunneling magneto-resistance effect has matured to marketability, and magnetic domain walls and their propagation are being developed for memory storage devices with enhanced density. This field, which embraces spin-structures and spin-transport on the nanoscale, was coined spin electronics or short spintronics. A brief overview on the development of spintronics from the early discovery of the GMR effect to the present activities is provided.     

自旋电子学简介及其研究进展

自旋电子学主要研究电子自旋在固体物理中的作用,是一门结合磁学与微电子学的交叉学科,其研究对象包括电子的自旋极化、自旋相关散射、自旋弛豫以及与此相关的性质及其应用等.基于电子自旋的自旋电子器件能够大大提高信息处理速度和存储密度,而且具有非易失性、低能耗等优点.简单介绍了自旋电子学的概念及其研究内容,综述了自旋电子学目前的研究及应用进展.     

Dilute magnetic semiconductor nanowires

Semiconductor materials form the basis of modern electronics, communication, data storage and computing technologies. One of today’s challenges for the development of future technologies is the realization of devices that control not only the electron charge, as in present electronics, but also its spin, setting the basis for future spintronics. Spintronics represents the concept of the synergetic and multifunctional use of charge and spin dynamics of electrons, aiming to go beyond the traditional dichotomy of semiconductor electronics and magnetic storage technology. The most direct method to induce spin-polarized electrons into a semiconductor is by introducing appropriate transition-metal or rare-earth dopants producing a dilute magnetic semiconductor (DMS). At the same time the seamless integration of future spintronic devices into nanodevices would require the fabrication of one-dimensional DMS nanostructures in well-defined architectures. In this review we focus on recent advances in the synthesis of DMS nanowires as well discussing the structural, optical and magnetic properties of these materials. PACS 75.75.+a; 81.07.Vb; 68.65.La     

Organic magnetoresistance and spin diffusion in organic semiconductor thin film devices

We review recent work in the field of organic spintronics, focusing on our own contributions to this field. There are two principle magnetoresistance effects that occur in organic devices. (i) Organic magnetoresistance (OMAR), which occurs in nonmagnetic organic semiconductor devices. For example, in devices made from the prototypical small molecule Alq₃ OMAR reaches values of 10% or more at room temperature. (ii) Organic spin‐valve effects that occur in devices that employ ferromagnetic electrodes for spin‐polarized current injection and detection. We undertake an analysis of these two types of magnetoresistance with the goal of identifying the dominant spin‐scattering mechanism. Analysis of OMAR reveals that hyperfine coupling is the dominant spin‐coupling mechanism. Spin–orbit coupling, on the other hand, is important only in organic semiconductor materials containing heavy atoms. We explore the reasons why spin–orbit coupling is relatively unimportant in hydrocarbon materials. Next, we present a theory for spin diffusion in disordered organic semiconductors based on hyperfine coupling, taking into account a combination of incoherent carrier hopping and coherent spin precession in the random hyperfine magnetic fields. We compare our findings with experimental values for the spin‐diffusion length. Finally, we demonstrate a criterion that allows the determination whether the organic spin‐valves operate in the tunneling or injection regimes. (© 2012 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

Effect of thermal deformation on giant magnetoresistance of flexible spin valves grown on polyvinylidene fluoride membranes

We fabricated flexible spin valves on polyvinylidene fluoride(PVDF) membranes and investigated the influence of thermal deformation of substrates on the giant magnetoresistance(GMR) behaviors. The large magnetostrictive Fe_(81)Ga_(19)(Fe Ga) alloy and the low magnetostrictive Fe_(19)Ni_(81)(Fe Ni) alloy were selected as the free and pinned ferromagnetic layers.In addition, the exchange bias(EB) of the pinned layer was set along the different thermal deformation axes α_(31) or α_(32) of PVDF. The GMR ratio of the reference spin valves grown on Si intrinsically increases with lowering temperature due to an enhancement of spontaneous magnetization. For flexible spin valves, when decreasing temperature, the anisotropic thermal deformation of PVDF produces a uniaxial anisotropy along the α_(32) direction, which changes the distribution of magnetic domains. As a result, the GMR ratio at low temperature for spin valves with EB α_(32)becomes close to that on Si, but for spin valves with EB α_(31)is far away from that on Si. This thermal effect on GMR behaviors is more significant when using magnetostrictive Fe Ga as the free layer.