自旋电子学材料课件
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材料科学课件 自旋电子材料
涡流 Vortex
Cooper Pairs
巨磁阻和巨磁阻材料
磁阻-Magnetoresistance (MR)
磁阻——由磁性引起的附加电阻 一百多年以前便知道外加磁场可改变电阻值的 大小 在非磁性金属中磁阻产生的原因是Lorentz力 在磁性金属中磁阻是由于量子效应中的Spinorbital 耦合引起的，也就是各向异性磁阻 然而这些电阻的变化一般较小，因此其应用价 值也较有限，主要是作一些简单的传感器
–自旋阀传感器
自旋阀 (Spin Valves)
Exchange-biased spin-valves were developed by Dieny et al., Phys. Rev. B43, R1297(1991).
Spin configuration of an FM-AFM bilayes
Albert Fert Peter Grunberg
后来的研究中，巨磁阻越来越显著。
法国科学家费尔和德国科学家格林贝格尔因发 现巨磁阻效应而荣获2007年诺贝尔物理学奖
瑞典皇家科学院发布的颁奖声明称，他们 1988 年 各 自 独 立 发 现 了 一 种 全 新 的 物 理 效 应——巨磁电阻
两个研究团队分別在4.2K温度 和室温下，对各自研制的磁性多 层薄膜系统磁电阻予以测量，
Fert教授在4.2K 的低温，在 (Fe/Cr)n，n = 60系统中测量得 到50% 磁阻变化，
Grunberg教授則在室温下，测 量Fe/Cr/Fe三明治结构，测得大 約1.5% 的磁阻变化，随后又在 低 溫 下 Fe/Cr/Fe/Cr/Fe 系 统 中 测得约10% 的磁阻变化率。
The magnetic moment due to orbital motion:
第三讲自旋电子学课件
N.H.Mott,Proc.Roy.Soc. A153,699(1936)
近似：电子与（热激发）自旋波散射可以忽略， （低于居里点） 只考虑电子与磁性离子自旋间的散射。 （s－d散射）
约定：与磁矩同方向的电子处于主要子带（majority）
相反方向自旋电子处于次要子带（minority）
两流体模型（2）
自旋相关散射(磁电阻效应)
FM(Ni-Fe)
S1
S2
(Al-O)
NM(Cu(001))
FM(Co(001))
上下自旋平行时电子容易通过--低电阻态 上下自旋反平行时电子被散射—高电阻态
Capping layer
Free layer
Tunnel barrier Reference layer Spacer layer Pinned layer Pinning layer
当然 D d 2 0 不等式成立
Julliere公式（3）
TMR 比率（放大的）
定义 TMR I I I
分子 ＝ D1 D1 D2 D2
分母 ＝ D1 D2 D1 D2
Julliere公式（4）
TMR的公式（用自旋极化率 表示）
第一个电极 p1 D1 D1 D1 D1 第二个电极 p2 D2 D2 D2 D2
TMR实验结果
韩秀峰等 （2000）
隧道磁电阻
隧道磁电阻效应的物理机制
Julliere公式（1）
隧穿电流 （近似!）I ∝ 指数衰减部分×状态密度部分
上左图 FM电极的磁矩彼此“平行”
I exp A U0 D1 D2 D1 D2
（注意：数值大小是 D D d d ）
上右图 FM电极的磁矩彼此“反平行”
近似：电子与（热激发）自旋波散射可以忽略， （低于居里点） 只考虑电子与磁性离子自旋间的散射。 （s－d散射）
约定：与磁矩同方向的电子处于主要子带（majority）
相反方向自旋电子处于次要子带（minority）
两流体模型（2）
自旋相关散射(磁电阻效应)
FM(Ni-Fe)
S1
S2
(Al-O)
NM(Cu(001))
FM(Co(001))
上下自旋平行时电子容易通过--低电阻态 上下自旋反平行时电子被散射—高电阻态
Capping layer
Free layer
Tunnel barrier Reference layer Spacer layer Pinned layer Pinning layer
当然 D d 2 0 不等式成立
Julliere公式（3）
TMR 比率（放大的）
定义 TMR I I I
分子 ＝ D1 D1 D2 D2
分母 ＝ D1 D2 D1 D2
Julliere公式（4）
TMR的公式（用自旋极化率 表示）
第一个电极 p1 D1 D1 D1 D1 第二个电极 p2 D2 D2 D2 D2
TMR实验结果
韩秀峰等 （2000）
隧道磁电阻
隧道磁电阻效应的物理机制
Julliere公式（1）
隧穿电流 （近似!）I ∝ 指数衰减部分×状态密度部分
上左图 FM电极的磁矩彼此“平行”
I exp A U0 D1 D2 D1 D2
（注意：数值大小是 D D d d ）
上右图 FM电极的磁矩彼此“反平行”
电子自旋角动量和自旋磁矩PPT课件
E4 p E4d E4 f
当 l 一定时，n 大，E 小，即
E2 p E3 p 第20页E/共4 4p2页
3．双层能级中， j 值较大的能级较高。
4．碱金属原子态符号： n2s1Lj
如
n3 l 0 j 1
2
l 1 j 3
2
j1 2
l2 j 5
2
j3 2
5．单电子辐射跃迁的选择定则
32 S1/ 2
第29页/共42页
二、原子在外磁场中的附加能量
一个具有磁矩的原子处在外磁场中时，将具有附
加的能量：
E
J
B
J
B c os(J
B)
J
g
B
e
cos(J B)
BJ cos(J
B)
2m
g
e 2m
BJz
其中：
Jz
J cos(J , B)
MJ
h
2
为角动量在外场方向的分
量，是量子化的。
第30页/共42页
F qE
2．磁矩
iA 方向与 i方向满足右手螺旋关系。
均匀磁场中： F 0 M B
非均匀磁场中：
磁场方向沿 z 轴，随z 的变化为dB
dz
合力
Fz
dB dz
cos
z
dB dz
z cos ： 在外场方向的投影
z
i
第3页/共42页
3．力和力矩
力是引起动量变化的原因：
F
d
dt
M J j, j 1, j ，共 2 j 1个。
E
g
e 2m
BMJ
h
2
M
J
gB
电子自旋共振PPT课件
扫场法，后者还可以恒定磁场，采取扫频法。
.
8
EPR应用
有机自由基的研究：不但能证明自由基的存在，而且能 得到分子结构，化学反应机理和反应动力学方面的重要 信息。
催化剂的研究：能获得催化剂表面的性质及反应机理。
生物、医学研究：证明了细胞的代谢过程、酶反应的机 理都离不开自由基。除此之外，许多病理的过程如衰老、 癌变过程也都离不开自由基。其中很重要的原因就是氧 自由基的作用。
.
11
超精细结构 (Hyperfine Coupling)
未成对电子之间偶合 未成对电子与磁核之间偶合
偶极-偶极偶合----各向异性 费米接触----各向同性：s轨道
.
12
Electron
S (½)
Nucleus
I (½) Hyperfine Coupling
MS=±½
Ms +½
DE1
MI +½
❖ 双基（Biradical）或多基（Polyradical）：在一个分子 中含有两个或两个以上未成对电子的化合物，但它们的未 成对电子相距较远，相互作和较弱。
❖ 三重态分子（triplet molecule）：这种化合物的分子轨 道中含有两个未成对电子，且相距很近，彼此之间有很强 的相互作用。如氧分子，它们可以是基态或激发态。
H2O2 2·OH， CH3OH + ·OH ·CH2OH + H2O
.
16
自旋捕捉剂和自旋标记
亚硝基化合物
.
17
自旋捕捉剂和自旋标记
氮氧化合物
.
18
稳定自由基谱
.
19
应用举例1：初级自由基研究
有机过氧化氢与N,N-二甲胺
.
8
EPR应用
有机自由基的研究：不但能证明自由基的存在，而且能 得到分子结构，化学反应机理和反应动力学方面的重要 信息。
催化剂的研究：能获得催化剂表面的性质及反应机理。
生物、医学研究：证明了细胞的代谢过程、酶反应的机 理都离不开自由基。除此之外，许多病理的过程如衰老、 癌变过程也都离不开自由基。其中很重要的原因就是氧 自由基的作用。
.
11
超精细结构 (Hyperfine Coupling)
未成对电子之间偶合 未成对电子与磁核之间偶合
偶极-偶极偶合----各向异性 费米接触----各向同性：s轨道
.
12
Electron
S (½)
Nucleus
I (½) Hyperfine Coupling
MS=±½
Ms +½
DE1
MI +½
❖ 双基（Biradical）或多基（Polyradical）：在一个分子 中含有两个或两个以上未成对电子的化合物，但它们的未 成对电子相距较远，相互作和较弱。
❖ 三重态分子（triplet molecule）：这种化合物的分子轨 道中含有两个未成对电子，且相距很近，彼此之间有很强 的相互作用。如氧分子，它们可以是基态或激发态。
H2O2 2·OH， CH3OH + ·OH ·CH2OH + H2O
.
16
自旋捕捉剂和自旋标记
亚硝基化合物
.
17
自旋捕捉剂和自旋标记
氮氧化合物
.
18
稳定自由基谱
.
19
应用举例1：初级自由基研究
有机过氧化氢与N,N-二甲胺
《自旋电子学》课件
自旋电子学应用领域
探索自旋电子学在信息科学、纳米电子学和量子计算等领域的广泛应用。
自旋电子学的优势
详细阐述自旋电子学相较于传统电子学的优势和潜在价值。
自旋传输
1
自旋运输和操控
2
探索自旋如何在材料和器件中进行传输
和操控，为自旋电子学的应用提供支持。
3
自旋注入和探测
研究自旋如何被注入和探测，为后续自 旋运输和操控奠定基础。
自旋电场效应晶体管
介绍自旋电场效应晶体管的原理与设计， 展示其在信息处理中的潜力。
自旋器件
自旋触发器
介绍自旋触发器的原理与应用，探讨其在信息存储 和处理中的潜力。
自旋滤波器
详细阐述自旋滤波器的工作原理和应用场景，探讨 其在信息筛选中的优势。
自旋管
探索自旋管的原理与构建方法，展示其在自旋电子 学中的应用前景。
自旋电子学的未来
1 自旋电子学的发展趋 2 自旋电子学与量子计 3 自旋电子学在信息处
势
算的结合
理领域的应用
分析自旋电子学发展的趋 势和前景，展望未来的发 展方向。
探讨自旋电子学与量子计 算的结合，展示其在信息 处理领域的潜力。
详细介绍自旋电子学在信 息处理领域的具体应用， 展示其在实际应用中的优 势和挑战。
总结
自旋电子学的意义
总结自旋电子学的意义和重要性，强调其在信息科学领域的研究和应用价值。
自旋电子学的挑战
概述自旋电子学面临的挑战和难题，讨论未来的发展方向。
未来的方向
展望自旋电子学未来的发展方向，并提出进一步研究的建议。
自旋量子点
介绍自旋量子点的结构与特性，探讨其在量子计算 与信息处理中的潜力。
自旋电路与系统
探索自旋电子学在信息科学、纳米电子学和量子计算等领域的广泛应用。
自旋电子学的优势
详细阐述自旋电子学相较于传统电子学的优势和潜在价值。
自旋传输
1
自旋运输和操控
2
探索自旋如何在材料和器件中进行传输
和操控，为自旋电子学的应用提供支持。
3
自旋注入和探测
研究自旋如何被注入和探测，为后续自 旋运输和操控奠定基础。
自旋电场效应晶体管
介绍自旋电场效应晶体管的原理与设计， 展示其在信息处理中的潜力。
自旋器件
自旋触发器
介绍自旋触发器的原理与应用，探讨其在信息存储 和处理中的潜力。
自旋滤波器
详细阐述自旋滤波器的工作原理和应用场景，探讨 其在信息筛选中的优势。
自旋管
探索自旋管的原理与构建方法，展示其在自旋电子 学中的应用前景。
自旋电子学的未来
1 自旋电子学的发展趋 2 自旋电子学与量子计 3 自旋电子学在信息处
势
算的结合
理领域的应用
分析自旋电子学发展的趋 势和前景，展望未来的发 展方向。
探讨自旋电子学与量子计 算的结合，展示其在信息 处理领域的潜力。
详细介绍自旋电子学在信 息处理领域的具体应用， 展示其在实际应用中的优 势和挑战。
总结
自旋电子学的意义
总结自旋电子学的意义和重要性，强调其在信息科学领域的研究和应用价值。
自旋电子学的挑战
概述自旋电子学面临的挑战和难题，讨论未来的发展方向。
未来的方向
展望自旋电子学未来的发展方向，并提出进一步研究的建议。
自旋量子点
介绍自旋量子点的结构与特性，探讨其在量子计算 与信息处理中的潜力。
自旋电路与系统
自旋电子学第三讲
垂直磁记录与纵向磁记录的比较
3.磁记录介质 3.磁记录介质
磁性纳米微粒： 磁性纳米微粒：
颗粒的长度应远小于记录波长； 颗粒的长度应远小于记录波长； 粒子的宽度应远小于记录深度； 粒子的宽度应远小于记录深度； 一个单位的记录体积中，应尽可能包含更多的磁性粒子。 一个单位的记录体积中，应尽可能包含更多的磁性粒子。 铁或氧化物针状粒子： 铁或氧化物针状粒子：r-Fe2O3, CrO2,Fe, 钡铁氧体 典型的：微粒大小10~20nm 典型的：微粒大小
3）状态密度不同导致两种自旋电子子带数量不同:
Ni
铁磁金属的3d能带劈裂
自旋极化率:
p = (D↑ − D↓ ) (D↑ + D↓ )
p1 (Fe ) = 0.44 ,
P2 (Co ) = 0.34
4)当电流流经铁磁金属 时形成自旋极化电流。 这也意味着，当电流从 FM层通过欧姆接触的 界面流进顺磁金属(PM) 时也是自旋极化的，称 为： ”自旋积累”(spin 自旋积累”
accumulation)
自旋积累的大小取决于FM/PM 自旋积累的大小取决于 界面上自旋注入率和spin flip率 界面上自旋注入率和 率
5பைடு நூலகம்自旋扩散长度
自旋积累在一个长度范围内呈指数衰减，这 个长度称为“自旋扩散长度 自旋扩散长度”。 自旋扩散长度
Fermi velocity Spin flip time Mean free path
Free CoFe/NiFe/Ta/NiFe
Buffer Ta
Synthetic Pin
HRF
作用：提高材料巨磁阻效应， 作用：提高材料巨磁阻效应，提高自由层效率
数据的写入过程 电流反向写“ 电流反向写“1” 不变写“ 不变写“0”
《电子自旋共振》PPT课件
O2N
.
NN
NO2
O2N验仪器
扫描线圈
5
电磁铁
3 2
1
4
6
FD-ESR-II电子顺磁共振仪构成图
精选课件ppt
1继7 续
1、微波源：
变容二极管
体效应管
频率调节
电源输入端+12V
微波源由体效应管、变容二极管、频率调节组成。 用于输出频率为9.37GHz的微波。
9.37G微波辐射
精选课件ppt
12
扫场法检测共振信号
B=B0+B’sinωt
通过调节励磁线圈的直流电流，改变恒定磁场的大小，当恒定
磁场B0＝2 ν/γ时，共振吸收信号等间距排列。此时对应的恒定 磁感应强度即为共振条件方程中所对应的磁场强度。利用特斯
拉计测量该磁感应强度代入共精选振课件方ppt程可得g因子的值。
精选课件ppt
22
5、阻抗调配器
吸收曲线 色散曲线
它的主要作用是改变微波系统的负载状态。在本实验中主要作 用是观察吸收、色散信号。
精选课件ppt
23
6、谐振腔：
A
谐振腔耦合膜片 样品
B可变短路调节器
通过调节可变短路调节器的位置，使微波在谐振腔内形成 驻波，得到最强的电子顺磁共振信号。
Yevgeny 精Z选a课v件oipsptky (1917-1976)
5
一、背景介绍 －－应用
电子自旋共振研究的对象是具有未偶（未配对）电子 的物质，如具有奇数个电子的原子、分子以及内电子 壳层未被充满的离子，受辐射作用产生的自由基及半 导体、金属等。通过共振谱线的研究，可以获得有关 分子、原子及离子中未偶电子的状态及其周围环境方 面的信息，从而得到有关物质结构和化学键的信息， 故电子自旋共振是一种重要的近代物理实验技术，在 物理、化学、材料、生物、医学等领域有广泛的应用。
【精品】第2章-原子结构-电子自旋PPT课件
电子的运动状态由四个量子数n、l、m、ms所决定， 它们的不同组合代表电子的不同量子态。
2.3.4 Pauli原理
2.3.4.1 原理
完全波函数
n,l,m ,m s n,l,m m s
为不使完全波函数的符号与轨道波函数的符号相 混淆，将轨道波函数改用φ表示。
i i i
全同粒子
在多电子体系中，各个电子是完全等同的，即它 们具有完全相同的静质量、电荷和自旋这些与运 动情况无关的固有性质，因此不能利用这些性质 来区分它们。由于微观粒子具有统计性质，我们 也不能通过追踪它们的运动轨迹来区分、辨认它 们，这就是全同粒子的不可区分性，在量子力学 中，这类体系为全同粒子体系。
取负号，表示两粒子交换坐标后，完全波函数绝对值 不变而符号改变，称为反对称波函数。
Pauli原理
对于包含两个或两个以上粒子的体系的完全波函数， 交换体系中任意两个粒子的坐标或自旋。
如果自旋量子数为取整数的粒子，如光子，介子，K 介子，称为玻色子(Bosons)，其波函数必须是对称波 函数。
凡是自旋量子数为取半整数的粒子，如电子，质子， 中子，介子，各种超子，称为费米子(Fermions)，其 波函数必须是反对称波函数。
银或碱金属的原子束通过一
个不均匀磁场射到屏幕上时，
Stern
射线束会偏转而分为对称分 布的两束。
1888～1969，美国 1943年Nobel物理奖
碱金属原子的1个s电子：l＝0，m＝0
l(l1)B0 zmB0
s电子不与外加磁场发生作用，原子束不应偏转 和分裂。
基态氢原子束实验也发生同样的现象。
原子中的电子除轨道运动外，还存在有其它运 动方式。
1925年，Uhlenbeck和Goudsmit提出电子自旋运动假 设：电子具有不依赖于轨道运动的、固有的磁矩。
2.3.4 Pauli原理
2.3.4.1 原理
完全波函数
n,l,m ,m s n,l,m m s
为不使完全波函数的符号与轨道波函数的符号相 混淆，将轨道波函数改用φ表示。
i i i
全同粒子
在多电子体系中，各个电子是完全等同的，即它 们具有完全相同的静质量、电荷和自旋这些与运 动情况无关的固有性质，因此不能利用这些性质 来区分它们。由于微观粒子具有统计性质，我们 也不能通过追踪它们的运动轨迹来区分、辨认它 们，这就是全同粒子的不可区分性，在量子力学 中，这类体系为全同粒子体系。
取负号，表示两粒子交换坐标后，完全波函数绝对值 不变而符号改变，称为反对称波函数。
Pauli原理
对于包含两个或两个以上粒子的体系的完全波函数， 交换体系中任意两个粒子的坐标或自旋。
如果自旋量子数为取整数的粒子，如光子，介子，K 介子，称为玻色子(Bosons)，其波函数必须是对称波 函数。
凡是自旋量子数为取半整数的粒子，如电子，质子， 中子，介子，各种超子，称为费米子(Fermions)，其 波函数必须是反对称波函数。
银或碱金属的原子束通过一
个不均匀磁场射到屏幕上时，
Stern
射线束会偏转而分为对称分 布的两束。
1888～1969，美国 1943年Nobel物理奖
碱金属原子的1个s电子：l＝0，m＝0
l(l1)B0 zmB0
s电子不与外加磁场发生作用，原子束不应偏转 和分裂。
基态氢原子束实验也发生同样的现象。
原子中的电子除轨道运动外，还存在有其它运 动方式。
1925年，Uhlenbeck和Goudsmit提出电子自旋运动假 设：电子具有不依赖于轨道运动的、固有的磁矩。
完整版自旋电子学材料课件
现有方法 (2)
? 基于自旋轨道耦合的调控
K. C. Nowack, et al. Science 318, 1430 (2007).
?自旋操控：通过提出双极磁性半导体的新概念，设计了 一系列BMS材料，可以实现电场对自旋极化的控制
自旋产生：半金属
半金属一个自旋通道为金属，另一个自旋通道为绝缘体，是 一种理想的产生自旋极化的材料。
绝缘体通道
金属通道
半金属能隙
EF Half Metal
我们先前设计的工作(I)
铁磁耦合的过渡金属苯环夹心化合物链
稀磁半导体:一种可能的方案
Zener model prediction
Science 287, 1019-1022 (2000).
Zn1-xCoxO 室温铁磁行为 Appl. Phys. Lett.79, 988 (2001).
Related reviews:
Nature Mater. 9, 965-974 (2010); Chem. Soc. Rev.39, 528-539 (2010);
非对称反铁磁半导体
基本设计思路
? 磁矩被设计成来源于两种不同的磁性离子（或处于不同晶 体场环境、或处于不同化合价态的同一元素离子），各磁 矩之间通过反铁磁形式耦合在一起。
? 由于磁性离子间强的反铁磁超交换作用，体系的奈尔温度 (TN) 很容易超过室温。
? 由于不同磁性离子间的磁轨道能级失配，体系的价带和导 带将是高度自旋极化的。
自旋操控：电控制磁？
磁控制
电控制
? 易于实现 ? 难于小型化 ? 与集成电路兼容
性差
? 难于实现 ? 易于小型化 ? 与集成电路兼容
性好
通过电场来控制自旋极化是下一代自旋电子学追求的一 个重要目标
颜老师课件自旋电子学2014
Dilute ferromagnetic oxides; TC > RT
材料 GaN TiO2 掺杂元素 Mn 9% Co 7% Fe 2% SnO2 Fe 5% Co 5% 磁
Fe (001) MgO(001)2nm Fe (001) MgO(001)基片
3x12m2
室温：TMR=88%
超过Al2O3非晶势垒 (TMR~70%)
磁性隧道结的应用—磁记录头，MRAM
Motorola MTJ MRAM structure
位线
位线
BL
写线 写线
MTJ
字线
读出
字线
写入
CMOS
Fe Fe
↑↑ ↑↑ ↑↑
↑↓
↑↓
Al2O3
Fe/Al2O3/Fe电阻隧磁场变化
↓↓ ↓↑
Fe
↓↑
Al2O3 Fe
↓↓
J.Magn.Magn.Mater.139(1995)L231----151(1995)403
Fe/Al2O3/Fe磁滞回线
隧穿磁电阻的解释 (Fe/Al2O3/Fe)
↑↑ 电阻RP小 ↑↓ 电阻RAP大
FLASH
MRAM
MRAM与现行各存储器的比较（F为特征尺寸）
>256 GB
>500 MHz 2 F2/bit <2 ns <10 ns <10 ns 无穷 无穷 <1 V
无穷 0.6-0.5 V
<50 mV
5. 高自旋极化率材料：半金属材料和稀磁半导体
混合价钙钛矿CMR
稀 磁 半 导 体
稀 磁 半 导 体
电子
自 旋
电荷 电子 自旋
电子自旋角动量和自旋磁矩课件
04
自旋电子学应用
自旋电子存储器
总结词
自旋电子存储器是利用电子自旋的特性进行信息存储的设备，具有高存储密度、低能耗和长寿命等优 点。
详细描述
自旋电子存储器利用电子自旋的两种状态（向上和向下）来表示二进制信息中的0和1。通过改变电子 的自旋方向，可以实现信息的写入和读取。与传统的电荷存储方式相比，自旋电子存储器不需要依赖 电荷的移动，因此具有更快的读写速度和更高的稳定性。
在量子力学中的基础性
自旋角动量是量子力学中一个基本且 重要的物理量，是理解许多量子现象 的关键。
在固体物理中的应用
在固体物理中，电子自旋角动量对理 解材料的磁学和电子学性质至关重要 。
电子自旋角动量的历史与发展
早期发现
未来展望
自旋角动量的概念最初由乌伦贝克和 古德斯密特在1925年提出。
随着技术的进步，对电子自旋角动量 的研究和应用将更加深入和广泛。
发展自旋电子学的理论模型
01
建立精确的自旋电子学理论模型
基于量子力学和电磁学的基本原理，建立精确描述自旋电子行为的理论
模型。
02
发展高效的数值模拟方法
开发高效的数值模拟方法，对自旋电子器件进行精细化模拟和优化设计
。
03
探索自旋电子学的物理极限
通过理论分析和数值模拟，探索自旋电子学的物理极限，为新器件和新
发展历程
随着量子力学的发展，人们对自旋角 动量的理解不断深入，它在理论物理 和实验物理中都得到了广泛应用。
02
自旋磁矩的基本概念
定义与特性
定义
自旋磁矩是粒子自旋角动量与磁场的乘积，是粒子自旋的物 理量。
特性
自旋磁矩具有矢量性质，方向与自旋角动量的方向相同，大 小与粒子自旋和磁场的强度的乘积成正比。
原子物理学原子的精细结构电子自旋PPT课件
3.4.2.自旋-轨道相互作用:精细结构的定量考虑(2)
• 电子自旋-轨道相互作用产生光谱精细结构(2)
i
B
s
– 由电磁学知道：价电子的自旋磁矩 s 在原子实产
生的电流磁场 B 中有磁能
UsB
42
3.4.2.自旋-轨道相互作用:精细结构的定量考虑(3)
• 自旋磁矩 s 在原子实电流磁场 B 中的磁能(1)
2
3.1.1. 磁矩的经典表示式(1)
• 载流线圈的磁矩 iSn0
电流 电流所围面积
垂直面积的单位矢量
3
3.1.1. 磁矩的经典表示式(2)
• 电子轨道运动的磁矩
iT ee2vr, Sr2
iSn0 ev r2n0 2 r
e 2me
me vrn 0
e 2me
L
L
旋磁比,
4
3.1.1. 磁矩的经典表示式(3)
• 电子自旋假设的提出 • 朗德 g 因子 • 单电子g 因子表达式 • 史特恩 — 盖拉赫实验的解释
17
3.3.1.电子自旋假设的提出(1)
• 电子自旋假设(1)：(乌伦贝克和哥德斯密特 在分析史特恩 — 盖拉赫实验的基础上提出)
(1) 电子不是一个质点，它存在一种内秉的运动 ……自旋，相应地有自旋角动量和自旋磁矩。
• 磁矩大小量子化 l l(l1)B
• 磁矩取向量子化 l,z mlB
• 角动量矢量模型:形象表示角动量取向量子化
8
3.1.3.角动量取向量子化(2)
• 角动量矢量模型:形象表示角动量取向量子化
l一定2l+1个9 ml
3.2.史特恩-盖拉赫实验
• 实验装置 • 实验原理 • 实验分析 • 实验结果
自旋电子学第二讲
磁化方向：铁磁性材料可以沿同一方向充磁至饱和，这 一方向叫做“磁化方向”。沿磁体不同方向磁化至饱和的 难易程度是不同的。对每种铁磁体都存在一个所需能量最 小和最大的方向，前者称易磁化方向，后者称难磁化方向。
通过施加反向的磁场，可以改变材料的磁化方向；改变 磁化方向所需要的磁场大小叫做矫顽场或者矫顽力；
反铁磁交换耦合
铁磁交换耦合
巨磁阻效应的重要特性
典型效应大小: 10-50%. 界面效应是影响GMR效应的关键因素. 典型的工作磁场范围：由改变相邻铁磁层的相 对取向所需的磁场决定。通常设置在一个较低 的磁场以便于实际操作. 相邻铁磁层之间的耦合随着隔离层的厚度变化。 而震荡变化。铁磁性耦合和反铁磁性耦合交替 出现。 薄膜层厚和粗糙度必须要考虑. 在低温下具有更大的巨磁阻效应。因为这时候 其他散射（自旋无关的散射）对电阻的贡献小 了。所以自旋相关散射效应增强。
纳米磁性多层膜中巨磁阻效应的产生机制.
① 当自旋电子在纳米磁性多层膜中输运时,其所受到的散 射强度会因为其自旋方向的不同而不同,这叫做电子的 自旋相关散射,它是产生巨磁阻效应的根本原因.
② 根据mott二流体模型,自旋向上和自旋向下电子可以 看作是在同一个空间的两个相对独立的通道中输运,其 电导相当于两个通道电导的并联.
Definition of GMR
• GMR(%) = (RAP-RP)/RP
RAP: 反平行磁结构时的电阻 RP : 平行磁结构时的电阻
Origin of GMR
两个通道(莫特模型)
电导率: 不同的电导率
Parallel
Antiparallel
散射 :
电子自旋与磁化方向反平 行时强； 电子自旋与磁化方向反平 行时弱；
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II
III
• 发展在室温环境下可用的自旋电子学材料。对于半金属，需要具备高于室温的铁磁居里温度，较宽的半金属能 隙，以及显著的磁各向异性；对于磁性半导体，需要具备室温磁有序以及高自旋极化。
IV
• 设计低维的自旋电子学材料用以构造纳米尺度的自旋电子学器件。这是实现器件尺寸最小化的必然要求。
V
• 研究和调制磁性金属和磁性半导体界面的自旋电子性质和行为。例如，如何在界面实现自旋的“欧姆接触”， 使自旋通过界面后保持自旋极化率不变？此外，控制两个元件材料之间的磁相互作用对于器件集成也至关重要。
PCCP (2013) 15, 497
表层N掺杂(SiC)n纳米薄层
N
Si C
n=8
n=8
APL (2014) 104,
172403
MnPSe3纳米片(1)
d0= 3.22 Å (exp. 3.27 Å) dSe-Se= 3.9 Å
剥离体相 MnPSe3的可行性
剥离能 Ecl =0.24 J/m2 (Graphite: 0.36 J/m2) 剥离强度:1.2 GPa
室温磁性半导体的必备条件
磁有序温度高于或可比于室温
价带和导带具有高的自旋极化
研究现状及困境
铁磁半导体: EuS, CdCr2Se4, La2NiMnO6 …
净磁化 高自旋极化 居里温度通常远低于室温 无净磁化 无自旋极化 奈尔温度通常比室温高
反铁磁半导体: LaMnAsO, LiMnAs, CuMnAs …
电子掺杂 空穴掺杂
FeVZrSi合金: Zr替代Ti
Δ1= 1.25 eV, Δ2= 0.58 eV, Δ3= 0.84 eV
影响与评价
BMS材料设计
本课题组：
Phys. Chem. Chem. Phys. (2013) 15, 497 Phys. Chem. Chem. Phys. (2013) 15, 15793 J. Mater. Chem. C (2013) 1, 7197 J. Am. Chem. Soc. (2014) 136, 5664 Appl. Phys. Lett. (2014) 104, 172403 J. Mater. Chem. C (2015) 3, 2563
On Off Off
半氢化碳纳米管(1D)
典型的BMS电子结构！
对B、N掺杂不敏感
磁性的来源
pz 轨道形成离域的π 键
没有氢化的碳原子上未成对的 pz 电子形成局域磁矩
模型器件与自旋输运
门压可控的自 旋输运
Nanoscale (2012) 4, 5680
半氢化SiC双层(2D)
典型 BMS！
对铁磁半导体来说，每个单胞的自旋磁矩必须为整数个 玻尔磁子，经过精心设计，这个整数可以为零（即反铁 磁耦合）。同时，在价带导带保持铁磁半导体的高自旋 极化特点。
非对称反铁磁半导体
基本设计思路
磁矩被设计成来源于两种不同的磁性离子（或处于不同晶 体场环境、或处于不同化合价态的同一元素离子），各磁 矩之间通过反铁磁形式耦合在一起。 由于磁性离子间强的反铁磁超交换作用，体系的奈尔温度 (TN) 很容易超过室温。 由于不同磁性离子间的磁轨道能级失配，体系的价带和导 带将是高度自旋极化的。
JACS (2008) 130, 4224
我们先前设计的工(III)
基于B或N掺杂的三角形石墨烯 片分子得到的孔状材料是稳定的 半金属，对外加应力不敏感。
JACS (2012) 134, 5718
理想半金属的三个基本条件
高于室温的铁磁居里温度 足够宽的半金属能隙 (~ 0.5 eV)，以有 效阻止室温下的自旋热翻转跃迁 大的磁各向异性能，确保在室温下材料 磁化的稳定性
Phys. Rev. B (2015) 92,125202
非对称反铁的反铁磁耦合提供了一种获得室温磁性的普适方案
双钙钛矿结构
通过选择双钙钛矿结构中的金属离子
来调控室温磁性
Tc > 300 K
Phys. Rev. B (2015) 92,125202
自旋调控：双极磁性半导体
自旋电子学
自旋电子学中三个基本科学问题:
怎样产生和注入自旋极化？ 怎样在器件中实现自旋输运？ 怎样有效的实现自旋操纵？
解决这些关键科学问题依赖于新型自旋材料设计！
我们的工作
自旋产生与注入：设计了实验上易于制备的室温半金属 以及不含金属原子的半金属材料 自旋输运：提出非对称反铁磁半导体的新概念，并在此 基础上设计了室温磁性半导体材料 自旋操控：通过提出双极磁性半导体的新概念，设计了 一系列BMS材料，可以实现电场对自旋极化的控制
JACS (2014) 136, 5664
室温半金属材料
掺杂的La(Mn0.5Zn0.5)AsO 合金材料
基于LaMnAsO和LaZnAsO 构建合金材料 材料具有“1111”型 LaFeAsO超导的结构
基态是反铁磁半导体
电子掺杂、空穴掺杂形成半 金属材料 居里温度 475 ~ 600 K
现有方法 (2)
基于自旋轨道耦合的调控
K. C. Nowack, et al. Science 318, 1430 (2007).
现有方法 (3)
多铁体系的磁电耦合调控
S. W. Yang, et al. Adv. Mater. 26, 7091 (2014).
双极磁性半导体 (BMS)
直接通过门电压调控 自旋极化方向
其他课题组：
Appl. Phys. Lett. (2013) 102, 143115 Carbon (2014) 69, 142 Phys. Chem. Chem. Phys. (2015) 17, 17957 J. Phys. Chem. C (2015) 119, 10610
…
自旋电子学材料
自旋材料分类
稀磁半导体:一种可能的方案
Zener model prediction Science 287, 1019-1022 (2000).
Zn1-xCoxO 室温铁磁行为 Appl. Phys. Lett. 79, 988 (2001). Related reviews: Nature Mater. 9, 965-974 (2010); Chem. Soc. Rev. 39, 528-539 (2010); Rev. Mod. Phys. 86, 187-251 (2014).
我们提出的概念
自旋电子学材料发展的方向
I
• 提出新概念和新型自旋电子学材料。例如，出于科学研究本身的兴趣以及自旋电子学器件的构造考虑，发展具 有多个功能或特性的自旋电子学材料将成为一个重要方向。 • 寻找更多可替代的自旋电子学材料。例如半金属、双极磁性半导体和非对称反铁磁半导体材料等。契机：材料 基因组计划
室温稀磁半导体的不足之处
室温磁性来源于纳米尺度 的相分离, 即二次相 室温磁性对生长条件和后 续处理依赖性大 体系在微观上很复杂、可 控性差、可重复性低
(Zn,Co)O 二次相分离 Phys. Rev. B 88, 085204 (2013)
是否存在其它简单的解决方法?
是否有可能将铁磁半导体的高自旋极化特点和反 铁磁半导体的高奈尔温度特点结合到一个半导体 材料？ 非对称反铁磁半导体的提出:
Is it possible to create magnetic semiconductors that work at room temperature? Such devices have been demonstrated at low temperatures but not yet in a range warm enough for spintronics applications.
自旋产生：半金属
半金属一个自旋通道为金属，另一个自旋通道为绝缘体，是 一种理想的产生自旋极化的材料。 绝缘体通道 金属通道
EF
半金属能隙
Half Metal
我们先前设计的工作(I)
铁磁耦合的过渡金属苯环夹心化合物链
JACS (2006) 128, 2310
我们先前设计的工作(II)
不对称边界修饰的锯齿型石墨烯纳米条带
自旋电子学材料的 计算模拟与设计
自旋电子学
1988: 巨磁阻效应(GMR)
Albert Fert Peter Grü nberg The Nobel Prize in Physics 2007
2007年诺贝尔 物理学奖
传统电子学: 自旋电子学: 电子的电荷自由度 电子的自旋自由度
优势：运算速度更快, 高集成度, 低能耗等
自旋操控：电控制磁？
磁控制
易于实现 难于小型化 与集成电路兼容 性差
电控制
难于实现 易于小型化 与集成电路兼容 性好
通过电场来控制自旋极化是下一代自旋电子学追求的一 个重要目标
现有方法 (1)
电场调制朗德g因子
Y. Kato, et al. Science 299, 1201 (2003).
MnPSe3纳米片(2)
中性
空穴掺杂
电子掺杂
电子或空穴掺杂的MnPSe3纳米片是自旋相反的两种铁磁半金属
JACS (2014) 136, 5664
FeVTiSi Heusler 合金(3D)
Tc ~ 1200 K
JMCC (2015) 3, 2563
Δ1= 1.26 eV Δ2= 0.36 eV Δ3= 0.27 eV
VI
• 探索反铁磁自旋电子学。 三大优势：反铁磁材料更易获得、反铁磁材料间磁作用干扰很弱、反铁磁材料磁化状 态反转速度比铁磁材料更快。