自旋电子学的发展及应用

叶长青 硕士。武汉科技学院环境科学研究所，武汉４３１１０７３ 曾庆福博士。教授．武汉科技学院环境科学研究所，武汉
４３００７３
ｌ Ｍｅ Ｂｒｉｄｅ Ｍ．Ｂ．．以ａ／．Ａｄｓｏｕｐｔｉｏｎ ｏｆ ａｒｏｍａｔｉｃ ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ ｂｙ ｃｌａｙｓ ｉｎ ａｑｕｅｏｕｓ ＳＵＳｅｎｓｉｏｎ．Ａ幽．Ｅｎｖｉｒｏｎ．Ｓｃｉ．Ｔｅｅｈｎ０１．，１９７７：（８）
２７－３０
ｌＯ孙家寿，刘羽等．交联粘土矿物的吸附特性研究．武汉化工学院 学报，１９９７；（１）：３４．３７
１１杭瑚等．膨润土吸附一絮凝法处理污水中的重金属离子．环境科 学研究，１９９４；７（１）：４８．５２
１２ Ｚｉｅｌｋｅ Ｒ．Ｃ．，Ｐｉｎｎａｖａｉａ Ｔ．Ｊ．Ｍ０ｄｍｅｄ ｃｌａｙｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ ｅｎｖｉｒ— ｏｎｍｅｎｔａｌ ｔｏｘｉｃａｎｔｓ：Ｂｉｎｄｉｎｇ ｏｆ ｃｈｌｏｒｏｐｈｅｎｏｌｓ ｔｏ ｐｉｌｌａｒｅｄ，ｄｅｃａｍｉｎａｔｅｄ，
Ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＢｅｎｔｏＩｌｉｔｅ ａｎｄ Ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ Ｅｎ－ ｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｆｉｏｎ
Ｙｅ Ｃｈａｎｇ—ｑｉｎｇ…。Ｚｅｎｇ Ｑｉｎｇ—ｆｕ吲
①Ｍａｓｔｅｒ，②Ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ，Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｒｅ ｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｍａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ｉｎ ｌｌＴｕｈａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７３ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｂｅｎｔｏｎｉｔｅ，ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ
苯酚的吸附性能研究．非金属矿，２００１；２４（３）：４５—４７ ７王连军，黄中华等．膨润土的改性研究．工业水处理，１９９９；（１） ８金辉等．膨润土对汞的吸附性能研究．水处理技术，１９９９；２５（５） ９鲍世聪等．交联粘土矿物的吸附特性研究（三）——改性膨润土
对水体中苯酚吸附性能研究．武汉化工学院学报。１９９７；１９（３）：
图２多层膜中的双电流模型示意图 由于巨磁电阻效应具有很大的应用前景，全世界相
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科技进展
Ｚｉｒａｎ Ｚａｚｈｉ Ｖ０１．２５ Ｎｏ．４
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关各大学、研究所以及各大公司的研究机构都陆续地投 入到ＧＭＲ的研究中，使之成为近十几年来凝聚态物理 的研究热点之一．进一步的研究表明，巨磁电阻效应不 是Ｆｅ／Ｃｒ多层膜所特有的，很多磁性金属，非磁金属组成 的多层膜系统中都具有ＧＭＲ效应．ＧＭＲ效应也不是一 定要用分子束外延的方法才能获得，磁控溅射等普通的 制备方法也可以获得ＧＭＲ效应，而且由于用溅射法制 备的薄膜界面具有一定的粗糙度，自旋相关散射更明 显，所以其磁电阻效应甚至更大一些．在众多研究工作 中，以ＩＢＭ的Ｐａｒｋｉｎ的工作最为引人注目．Ｐａｒｋｉｎ等人用 简单的磁控溅射的方法制备了磁性多层膜，系统地研究 了Ｃｏ／Ｃｕ多层膜的性质［４］，他发现随着Ｃｕ层厚度的变 化，相邻ｃｏ层具有在铁磁耦合和反铁磁耦合之间振荡 的特点，与之相应，系统的磁电阻也随着ｃｕ层厚度的变 化而振荡．在室温下，一般Ｃｏ／Ｃｕ多层膜第一峰的磁电阻 高达６５％以上．大的磁电阻效应也不是仅存在于具有反 铁磁耦合的磁性多层膜中，人们在弱耦合的自旋阀结构 （ｓｐｉｎ ｖａｌｖｅ）、磁性颗粒膜（ｇｒａｎｕｌａｒ ｆｉｌｍ）、磁性隧道结（ｍａｇ．
５ Ｐｕｓｉｎｏ Ａ．，ｅｔ ａ１．Ｄｉｍｅｆｉｐｅｒａｔｅ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ＆ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ ｏｎ ＡＩ”，Ｆｅ”， Ｃａ２＋ａｎｄ＜Ｎａ＋一ｍｏｎｔｍｏｒｉｌｌｏｎｉｔｅ．Ｃｌａｙ ａｎｄ Ｃｌａｙ Ｍｉｎｅｒａｌｓ，１９９３；４１
（３）：３３５—３４０ ６张佥，鲁安怀等．富含Ｎａ＋、Ｃａ２＋、Ｃｕ２＋、ＡＩ“和ｃ，＋的蒙脱石对
ｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎ，删）、具有钙钛矿结构的稀土氧化物
中，都发现了很大的磁电阻效应，有的磁电阻甚至高达
１０６％以上．
为此，在１９９５年４月份的Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｔｏｄａｙ期刊上，刊 登了磁电子学的专刊，正式提出了“磁电子学”（ｍａｇｎｅｔｏ． ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）的概念，总结了过去几年在磁电子学方面所 取得的成果，并且展望了磁电子学对未来信息产业的影 响［５ Ｊ．同时在１９９５年美国ＤＡＲＰＡ计划中设立了ＧＭＲ合 作计划【６］，目的是探索将ＧＭＲ器件应用到各种传感器 和存储器等方面，最终目标是制造出大小为６．４５ ｃｍ２、读 取时间小于１００ ａｓ的容量为１６ Ｋ的非丢失性的磁性随 机存储器芯片．随后这个ＧＭＲ合作计划变成了一个正 规的、更大的ＤＡＲＰＡ计划，这就是自旋电子学（ｓｐｉｎ． ｔｒａｎｓｐｏｒｔ－ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ的缩写），参与者包括Ｍｏｔｏｒｏｌａ、ＩＢＭ、 Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ等大公司以及许多科研机构和实验室．除了原 来的ＧＭＲ器件，此计划还将重点探索自旋相关隧穿结 构和磁性氧化物等方面的应用研究．我国虽然在自旋电 子学方面起步稍晚，但是一直紧跟国际上的研究趋势， １９９８年国家自然科学基金委员会设立了“巨磁电阻物 理、材料研究及其在信息技术中应用”重大项目，２００１年 国家科技部在国家重点基础发展规划项目中设立了“自 旋电子材料、物理以及器件研制”项目，在研究经费上给 予重点支持．目前我国在自旋电子学某些方面的研究成 果已经达到国际水平．
近两个自旋相反，动量也相反的电子所组成的库柏对， 建立了著名的ＢＣＳ理论．但是ＢＣＳ理论虽然将电子的自 旋自由度引入到输运过程中，但是在库柏对中，电子是 成对出现的，并没有去严格区分两种不同自旋的电子在 输运中的差别．真正开始对自旋电子的输运进行深入研 究，是在２０世纪８０年代．
１９８６年，德国的Ｇｒｔｉｎｂｅｒｇ等人在研究Ｆｅ／Ｃｒ／Ｆｅ薄膜 中自旋波的光散射时，发现随着Ｃｒ的厚度改变，Ｆｅ／Ｃｒ／Ｆｅ 中两个Ｆｅ层存在反铁磁耦合控Ｊ．随后在法国工作的 Ｂａｉｂｉｃｈ等人用分子束外延的方法制备了Ｆｅ／Ｃｒ多层膜并 研究其电阻特性［引．当ｃｒ的厚度为０．９ ｎｍ时，他们发现 在Ｔ＝４．２Ｋ温度下，薄膜的电阻值随外加磁场的增加而 减小，当外磁场大于２ Ｔ后，其电阻值几乎只有原来未加 磁场时的一半．这种磁电阻效应可以用自旋相关散射和 双电流模型来解释．考虑到两个不同自旋取向的电子在 界面处所受到的散射是不同的，假设当自旋取向与铁磁 层的磁化方向相同时，电子所受到的散射较小，而另一 种自旋取向的电子所受到的散射较大．那么，在Ｆｅ／Ｃｒ多 层膜中，当存在反铁磁耦合时，相邻Ｆｅ层的磁化方向是 反平行的，这样两个自旋取向的电子所受到的散射都较 大，所以系统处于高电阻状态．当外磁场较大时，所有Ｆｅ 层的磁化方向将转到外场的方向，这时有一种自旋取向 的电子所受到散射很小，而另一种电子所受到的散射很 大，系统总的电阻可以看成这两种电子电阻的并联，因 而系统处于低电阻状态（见图２）．由于Ｆｅ／Ｃｒ多层膜中的 这种磁电阻效应很大，比一般的铁磁金属的各向异性磁 电阻大１个数量级，所以人们把这种效应叫做巨磁电阻 效应（ｇｉａｎｔ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ＧＭＲ）。巨磁电阻效应的发 现，是自旋电子学发展史上的里程碑．
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效地解决大量的日益增长的各种复杂的污染物的处理． 因此，只有发展新的环保材料才能很好的解决这一问 题．膨润土作为一类重要的非金属矿物，经过多年来国 内外众多学者的共同研究，越来越显示其在环保领域中 应用的可行性．我国膨润土环保材料具有巨大的发展潜 力．这主要是因为我国膨润土矿产资源丰富，总储量居 世界前列．虽然我国膨润土在环保方面的开发利用要比 先进国家晚得多，膨润土的应用也仅限于原土或酸化后 的活性白土等初级产品，至于膨润土的改性复合材料的 研究同国外相比还属于起步阶段．但同时也意味着我国 在膨润土的开发与应用方面还具有巨大的发展潜力．为 此，我国的环保工作者应加强有关膨润土环保材料方面 的科研工作，开发出深加工产品，并形成系列，大力推广 新的科研成果，使其尽快转化为工业生产力，使膨润土 在环保工程中发挥更大的作用．（２００３年３月３日收到）
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图１ 正常金属和铁磁金属的能态密度示意图
一、自旋电子学的发展历程
磁学是一门既古老又在不断发展的物理学分支．早 在４ ０００年前古人已经知道并利用磁的特性，但是直至 今日在磁学领域，各种不为人所知的新现象还不断地呈 现在人们的面前；磁的基本现象为大众所熟知，已经成 为常识，但是其物理机理却扎根于深奥的量子力学之 中．磁材料广泛地用于人类工作生活的各个领域，但是， 深究其基本特性，甚至包括像铁这种最常用的磁性材 料，我们至今还没有完全清楚．
旋的内禀特性．对于普通金属和半导体，自旋向上和自 旋向下的电子在数量上是一样的，所以传统的金属电子 论往往忽略电子的自旋自由度．但是对于铁磁金属，情 况则不同．在铁磁金属中，电子的能带分成两个子带，自 旋向上子带和自旋向下子带．这两个子带形状几乎相
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自然杂志２５卷４期
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同，只是在能量上有一个位移（见图１），这是由于铁磁金 属中存在交换作用的结果．正是由于两个子带在能量上 的差别，使得两个子带的占据情况并不相同．在费米面 处，自旋向上与自旋向下的电子态密度也是不同的．这 样在铁磁金属中，参与输运的两种取向的电子在数量上 是不等的，所以传导电流是自旋极化的．同时由于两个 子带在费米面处的电子态密度不同，不同自旋取向的电 子在铁磁金属中受到的散射也是不同的．因此在系统 中，如果存在铁磁金属，两种自旋取向的电子的输运特 性有着显著的差别．自旋电子学就是以不同自旋取向电 子为研究对象，以不同自旋取向电子的输运性质为主要 研究内容，藉此开发设计新型电子器件的一门新学科．
对于铁磁金属的输运性质，也不是近些年才开展 的．事实上，铁磁金属中电子的输运性质，早在两个世纪 前就开始研究了．１８５７年Ｔｈｏｍｓｏｎ发现了在多晶结构的 Ｆｅ中，具有各向异性磁电阻效应Ｉｌｌ（ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｍａｇｎｅｔｏｒｅ． ｓｉｓｔａｎｃｅ，ＡＭＲ）．而传统的微电子学的研究对象是普通金 属和半导体，所以在研究电子的输运过程中，往往忽略 电子的自旋．２０世纪５０年代人们在研究超导体时，将电 子的自旋引入，认为参与超导输运的准粒子是费米面附
ａｎｄ ｈｙｄｒｏｘｙ ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒｅｄ ｓｍｅｃｔｉｔｅｓ．Ｃｌａｙｓ ａｎｄ Ｃｌａｙ Ｍｉｎｅｒａｌｓ，１９８８；３６ （３）：４０３－４０８
１３ Ｓｒｉｎｉｖａｓａｎ Ｋ．Ｒ．．Ｆｏｇｌｅｒ Ｓ．Ｈ．Ｕｓｅ ｏｆ ｉｎｏｒｇａｎｏ—ｏｒｇａｎｏ ｃｌａｙｓ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅ－ ｍｏｖａｌ ｏｆ ｐｒｉｏｒｉｔｙ ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ ｆｒｏｍ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｗａｓｔｅｗａｔｅｒｓ：ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ ｂｅｎｚｏ（ａ）ｐｙｒｅｎｅ ａｎｄ ｃｈｌｏｒｏｐｈｅｎｏｌｓ ｆｒｏｍ ａｑｕｅｏｕｓ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ．Ｃｌａｙｓ ａｎｄ Ｃｌａｙ Ｍｉｎｅｒａｌｓ，１９９０；３８（２）：２８７．２９３
２ Ｂｏｙｄ Ｓ．Ａ．，ｅｔ ａ１．Ｐｅｎｔａｃｈｌｏｒｏｐｈｅｎｏｌ ｓｏｒｐｔｉｏｎ ｂｙ ｏｒｇａｎｉｃ—ｃｌａｙｓ．Ｃｌａｙｓ ａｎｄ ｃｌａｙ ｍｉｎｅｒａｌｓ．１９８８：３６
３潘建强．活性白土质量标准．非金属矿开发技术动态（中国地质 矿产部直管局内部资料），１９９２；（２）：２
４ Ｓａｗｈｎｅｙ Ｂ．Ｌ．．ｅｔ ａｉ．Ｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ ａｔｒａｚｉｎｅ ｂｙ Ａｌ一＆Ｃａ—ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｓｍｅｄ— ｒｉｔｅ．Ｃｌａｙ ａｎｄ Ｃｌａｙ Ｍｉｎｖｒａｌｓ．１９９７；４５（３）：３３３．３３８
１４顾曼华等．有机膨润土吸附硝基苯的性能及其在废水处理中的 应用．水处理技术，１９９４；２０（２）：２３６．２３９
１５ Ｓｔａｌｒｙｏｎ Ｍ．Ｇ．，Ｓｐａｒｋｓ Ｄ．Ｌ．，Ｄｅｍｄｌ Ｓ．Ｋ．Ｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ ｐｅｎｔａｃｈｌｏｒｏｐｈｅｎｏｌ ｔｏ ＨＤＴＭＡ—Ｃｌａｙ ａ８ ａ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｉｏｎｉｃ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｐＨ．Ｅｎｖｉｒｏｎ．Ｓｃｉ． Ｔｅｃｈｎ０１．，１９９４；２８：２３３０．２３３５
本文概括性地介绍了自旋电子学的发展历程以及最新的研究进展。同时简要介绍了自旋电子学的应用实例．
自旋电子学（ｓｐｉｎｔｒｏｎｉｃｓ），也可以称为磁电子学，是 一门磁学和微电子学相交叉的新兴的学科，它研究具有 某一自旋状态（自旋向上或自旋向下）的电子的输运特 性，是当前凝聚态物理的热点领域之一．
众所周知，电子除了带有电荷的特性外，还具有自