自旋电子学

本书是关于自旋电子学的新著，内容涉及磁纳米结构的材料、制造和特性，磁纳米结构中的磁性和自旋控制，半导体中的磁光性质、磁电子学及器件。     

自旋轨道耦合与自旋霍尔效应?

从巨磁阻效应正式拉开自旋电子学的序幕开始,如何控制和操纵电子的自旋自由度在学术界和工业界掀起了巨大的研究浪潮,如何产生并测量自旋流也是自旋电子学面临的重大挑战.自旋轨道耦合为自旋电子学提供了利用全电学来控制自旋的物理基础,由自旋轨道耦合引起的自旋霍尔效应则为自旋电子学提供了产生较大纯自旋流的方法.本文从1879年Edwin Hall发现的那个迷人的效应谈起,同时从自旋轨道耦合的起源来认识自旋霍尔效应,进一步探讨了如何利用其逆效应来探测自旋霍尔效应及自旋流,并简单总结了与自旋霍尔效应相关的部分新效应及新应用.     

高温超导体中的自旋玻璃态

近年来,随着高温超导材料的发展,特别是在铜氧化物高温超导材料方面的研究进展,使得自旋玻璃态逐渐成为科学家研究的一个方向。自旋玻璃是一种非晶态磁性材料,对它的研究具有极大的科学意义和不可估量的潜在应用价值,自旋玻璃的应用非常广泛,在绝大多数科研项目中都发挥了极其重要的作用,高温超导就是其应用之一。该文从自旋玻璃态的一系列现象出发,研究分析了最近几年来科学家们对自旋玻璃态的研究成果。     

NaCl型半金属铁磁体CrCa7Se8的第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理研究,优化了具有NaCI结构的CrCa7Se8的几何结构．计算了其自旋极化的电子态密度,电荷分布和离子磁矩等电学和磁学性能,并分析了其电子结构,展望了其在自旋电子学中的应用。研究表明,CrCa7Se8在费米面处具有＋100％的自旋极化率,呈现出半金属性,其超胞磁矩为4．00μB,磁矩主要来源于过渡元素CrCa7Se8具有较宽的自旋带隙和较大的超胞磁矩,可作为自旋半导体材料的优质自旋注入材料。同时,它可能具有较高的居里温度,从而在自旋电子学中具有广泛的应用前景。Cr离子的电子结构为eg2↑t2g2↑。     

磁物质表面波的自旋

受金属表面等离子体的自旋特性启发,本文用解析理论研究磁性材料的表面波.由于外加磁场可以调节铁磁材料磁导率,从而控制其表面波.研究发现磁表面波也是自旋反常且自旋–轨道锁定.改变外磁场可以调控反常自旋大小,二者近似线性关系,为应用提供了新的途径.以上结果也被数值模拟所验证.     

自旋——未来的科技明星

 磁与电宛如一对孪生兄弟,难以分离,原子是物质的基本单元,原子核以及组成原子核的基本粒子都具有磁矩,但其中中子、微中子等具有磁矩却没有电荷,从此角度考虑,磁比电更具有普适性,然而,人们对电的了解更胜于磁,追其原因,人们的日常生活离不开电,如：电话、电灯、电视、电脑、电动机等,人们没有进一步思考电流是如何产生的,最基本的原理是磁通量的变化产生电流,反之,电流产生磁场,因此,通常磁与电是相互关联的。磁的基本单元是自旋磁矩,电荷与自旋都是电子的本征特性,以往人类社会的发展,从物理的观点看来主要利用电子具有电荷的特性,如电工学奠定了第二次产业革命（电气化）的基础;电子学与微电子学奠定了第三次产业革命（信息化）的基础,而自旋的作用仅体现在磁性材料及其器件中,例如电气化中的发电机、电动机、变压器等离不开磁性材料,同样,信息化中储存信息离不开磁盘、磁带等。在电工学、电子学与微电子学中主要研究电场调控下的电子电荷的运动,没有涉及到电子的自旋。人们不禁要问：为什么同样是电子本征特性的自旋在电子输运过程中不呈现呢？     

成份依赖的软磁材料CoFeB和CoFeSiB

采用磁控溅射技术制备了两种不同的富钴非晶磁性材料CoFeB和CoFeSiB.对它们的磁特性与成分的依赖关系以及作为磁性隧道结自由层的翻转特性进行了研究.在大块材料样品状态下(厚度约为1μm),CoFeB的矫顽力可达到2.51×10-2A/m,CoFeSiB则显示出1.25×10-2A/m的矫顽力.而对于磁性隧道结的磁电阻测量表明:CoFeB薄膜的自旋极化对钴含量非常敏感,从而导致隧道结磁电阻值也发生明显的变化.相比较而言,CoFeSiB的翻转特性由于钴含量的变化而受到很大影响,而自旋极化对钴含量的依赖不甚明显,在很高的钴含量(80%)时达到饱和.结果表明,通过适当的调整非金属元素Si和B的含量,可以很好的调整CoFeSiB的软磁性能而有望满足下一代高密度自旋电子学器件对于材料的苛刻要求.     

有机自旋电子学研究进展

本文从铁磁有机器件与非磁有机器件两方面介绍了近年来有机自旋电子学研究进展,理论上探讨了有机功能材料内的自旋极化注入与输运、自旋的微观动力学过程以及调控载流子的自旋取向对器件整体性能的影响。针对最近发现的有机强磁效应,从实验与理论两方面作了系统的阐述。     

半导体中纯自旋流的探测

自旋电子学是利用电子的自旋而非电子的电荷作为信息载体而发展的物理和电子器件研究的分支领域.半导体中自旋流的测量在自旋电子学中起关键作用.本文从自旋流的基本性质出发,简要回顾了目前国际上探测自旋流的实验手段,以及作者最近提出的有关自旋流的光学效应和以此直接测量半导体中纯自旋流的理论.     

2003年度国家自然科学基金拟受理的重点项目:跨科学部重点项目

(1)细胞力学行为及其相关生物大分子作用规律的研究(与生命科学部交叉,由数理学部受理) (2)新型氧化物功能材料中电荷、自旋和轨道自由度的耦合与关联效应(与工程与材料科学部交叉,由数理科学部受理) (3)半导体自旋电子学的物理基础(与信息科学部交叉,由数理科学部受理)     

2017年有机功能材料研发热点回眸

 从高效柔性有机半导体器件、高效有机太阳能电池、高效有机白光二极管、有机光伏器件的磁效应、有机自旋光伏器件设计等5个方面，盘点了2017年有机功能材料领域的重要研究进展；从有机电子学、有机光电子学和有机自旋电子学等多个角度，回顾了有机功能材料新奇的物理现象及原理；预测了该领域未来的发展方向。     

GaN基半导体中载流子的自旋注入、弛豫及调控

GaN基半导体材料由于其电场可控的自旋轨道耦合以及高于室温的居里温度,在半导体自旋电子学领域引起了广泛的关注.载流子的自旋注入、弛豫和调控是发展半导体自旋电子器件的关键问题.本文回顾了基于时间分辨克尔光谱和平面自旋阀电学测量对GaN基半导体中载流子的自旋注入、弛豫和调控的研究进展.对GaN基半导体的精细能带结构、自旋轨道耦合、自旋弛豫机制及自旋调控等进行了讨论,总结了GaN基半导体自旋电子器件的研究现状并提出展望.     

T型双量子点自旋二极管

用非平衡格林函数理论研究T型耦合的双量子点中自旋二极管效应。量子点与两个电子库或引线相耦合,其中的一个是正常金属,另一个为铁磁材料。由于两个引线铁磁性的不对称,流过系统的电荷流或者点中的电子占据数会在一定情况下出现二极管效应,即在正向电压时电流或占据数的自旋极化有极小值,当电压反向时,其自旋极化有极大值。这种自旋二极管效应与通常电子器件中的电荷二极管现象非常相似,在自旋电子学器件中有实际的应用价值。     

四氧化三铁薄膜的电子输运性能

20世纪80年代后期,人们对电子器件小型化、高集成度以及高运算速度提出了更高的要求,以此为目标,通过对磁性多层膜、磁性颗粒膜、磁性半金属材料的巨磁电效应、霍耳效应等自旋相关电子输运性能的研究,逐渐形成了一门新兴的交叉学科-自旋电子学[1].自旋电子学将电子的自旋特性引     

III族氮化物半导体异质结构中载流子的量子输运和自旋性质

III族氮化物半导体具有宽的直接带隙,很强的极化电场,优异的物理特性,是发展高频、高温、高功率电子器件和光电子器件的优选材料．同时,III族氮化物半导体有很长的电子自旋弛豫时间以及很高的居里温度,也成为近年来半导体自旋电子学研究的重要材料体系之一．本文介绍了用量子输运和自旋光电流方法对Gain基异质结构中载流子的量子输运和自旋性质的研究进展．对III族氮化物半导体中的能带结构,子带占据和散射,自旋分裂及自旋轨道耦合机制等进行了讨论．     

有机铁磁体自旋输运和载流子特性理论研究

有机铁磁体结合了铁磁体磁特性和有机材料软特性,在有机自旋电子学领域新型材料及器件设计方面具有广阔的应用前景.本文介绍了有机铁磁器件自旋输运方面的研究进展,讨论了基于有机铁磁的自旋过滤、多态磁电阻和自旋整流等新奇概念,阐明了有机铁磁体自身相互作用,如电子-晶格耦合和侧基自旋关联在以上现象中所扮演的角色.同时,对有机铁磁中...     

ZnO基稀磁半导体薄膜性能研究进展

目前研究磁性半导体的主要方法是对半导体进行过渡金属元素(Mn,Co,Fe)掺杂,使之具备半导体和磁性材料的综合特性,在材料科学和未来自旋电子器件领域具有广阔的应用前景。本文对近几年来过渡金属离子掺杂的ZnO薄膜材料磁性能的研究进展作一综述。     

异自旋中心有机铁磁体分子设计

采用量子化学从头算ＵＨＦ方法对系列异自旋三自由基体系的基态自旋耦合规律进行研究，并对组成不同的异自旋（ｈｉｅｔｅｒｏ ｓｐｉｎ）三自由基进行了系统的比较，为新型有机磁性材料的实验合成提供了理论依据。     

自旋——21世纪信息的新载体

电子既是电荷的载体 ,同时又是自旋的载体。以研究、控制和应用半导体中数目不等的电子和空穴（或多数载流子和少数载流子）的输运特性为主要内容的微电子学是２０世纪人类的文明和发展的最重要的推动力之一。众所周知 ,在这里电子的输运过程仅利用它的荷电性由电场来控制 ,自旋状态并没有被考虑。但是 ,从上个世纪９０年代以来 ,科学家发现人类同样可以利用电子的自旋来操纵它的输运过程 ,这正是磁学研究的最新前沿———自旋电子学所要研究的主要内容。进入２１世纪 ,越来越多的利用自旋电子学制造的相关器件正一步步走入人们的日常生活 ,…     

Full-Heusler合金Ru_2FeSi的结构和磁性

近年来,自旋电子学的发展已经使人们在计算机存储方面取得了很大的成果,在众多自旋电子学材料中,Heusler合金因其特有的优点已经受到越来越多研究者的关注。采用第一性原理的计算方法,应用Materials Studio 6.0中的CASTEP软件,对Full-Heusler合金Ru_2FeSi的晶体结构进行了优化,并在平衡晶格常数的基础上,计算了结构的能量和态密度,并作了具体的分析。计算结果表明,Ru_2FeSi合金的平衡晶格常数为6.862?,并且为良好的铁磁性金属材料,其磁性主要来源于Ru原子和Fe原子d电子的自旋及其在费米能级附近劈裂和相互杂化的过程。