有机自旋电子学的应用研究进展 (1)
凝聚态物理中的自旋电子学：探索自旋电子学材料与器件在信息存储与处理中的应用
凝聚态物理中的自旋电子学：探索自旋电子学材料与器件在信息存储与处理中的应用摘要自旋电子学作为凝聚态物理的前沿领域，利用电子的自旋自由度，为信息存储和处理带来了革命性的突破。
本文深入探讨自旋电子学材料与器件的特性、工作原理以及在信息存储与处理中的应用。
通过分析巨磁阻效应、自旋注入、自旋霍尔效应等关键技术，以及磁性随机存储器（MRAM）、自旋场效应晶体管（SFET）等新型器件的研发进展，本文旨在展示自旋电子学在提高存储密度、降低功耗、实现新型计算架构等方面的巨大潜力。
引言传统的电子学主要利用电子的电荷自由度进行信息的存储和处理。
然而，随着器件尺寸的不断缩小，摩尔定律逐渐逼近极限，电荷存储和传输面临着功耗、发热等问题。
自旋电子学（Spintronics）应运而生，通过利用电子的自旋自由度，为信息存储和处理提供了新的思路和方法。
自旋电子学不仅可以克服传统电子学的瓶颈，还具有非易失性、高速度、低功耗等优势，为未来信息技术的发展带来了新的机遇。
自旋电子学材料自旋电子学材料是指具有自旋相关特性的材料，如铁磁材料、反铁磁材料、亚铁磁材料、半导体材料等。
这些材料的自旋特性可以通过外加磁场或电流进行调控，从而实现对电子自旋的操控。
1. 铁磁材料：铁磁材料具有自发磁化强度，其电子自旋方向在宏观上呈现一致性。
常见的铁磁材料包括铁、钴、镍及其合金。
2. 反铁磁材料：反铁磁材料的相邻原子磁矩方向相反，宏观上不表现出磁性。
反铁磁材料在自旋电子学中具有重要的应用，如自旋阀、自旋霍尔效应器件等。
3. 亚铁磁材料：亚铁磁材料的相邻原子磁矩方向相反，但大小不等，宏观上表现出较弱的磁性。
亚铁磁材料在磁存储器件中具有重要应用。
4. 半导体材料：半导体材料的自旋特性可以通过掺杂磁性杂质或利用自旋轨道耦合效应进行调控。
自旋电子学半导体材料在自旋场效应晶体管、自旋发光二极管等器件中具有重要应用。
自旋电子学器件自旋电子学器件是指利用电子自旋特性进行信息存储和处理的器件。
自旋电子学的发展及其应用
自旋电子学的发展及其应用自旋电子学是一种新兴的研究领域，它涉及到自旋在电子学中的应用。
自旋电子学的发展可以追溯到20世纪60年代，当时科学家发现自旋可以在半导体中传递电信号。
然而，这个领域的真正飞跃是在21世纪初，随着新型材料和技术的发展，自旋电子学开始迎来了蓬勃的发展。
本文将从自旋电子学的基础原理、材料和技术发展、以及自旋电子学在实际应用中的优势等方面，详细介绍自旋电子学的发展及其应用。
一、自旋电子学的基础原理自旋电子学是基于自旋的量子属性，研究自旋在材料中的行为和特性，包括自旋的产生、传输、控制和检测。
自旋是电子的一种固有属性，可以看作是电子围绕自身旋转的一种特殊运动状态。
自旋有两种可能的取向，即上自旋和下自旋。
在外磁场的作用下，上自旋和下自旋的能量不同，因此可以通过磁场来控制自旋的取向。
二、自旋电子学的材料和技术发展随着自旋电子学的不断发展，研究人员已经发现了一些材料，这些材料具有优异的自旋特性，例如：铁磁性材料、半导体材料、自旋霍尔效应材料等。
在技术方面，研究人员已经发明了一些新的技术，例如：磁隧道结构技术、磁电阻技术、磁性记忆技术等，这些技术为自旋电子学的发展提供了有力的支持。
三、自旋电子学的应用自旋电子学已经被广泛应用于电子学和信息技术领域，具有广泛的应用前景。
下面列举了一些自旋电子学的应用：磁性存储器：磁性存储器是自旋电子学应用的一种重要形式，它可以实现高速读写、高密度存储和低功耗等优点。
自旋电子器件：自旋电子器件是利用自旋电子学的原理设计的器件，它具有高速、低功耗、稳定性好等特点，可以应用于处理器、存储器和通信设备等领域。
自旋电子输运：自旋电子输运是指利用自旋电子学的原理，设计实现一些新型的电子器件和传感器，用于探测、测量和传输电信号，例如自旋电荷泵、自旋输运晶体管等。
自旋电子学在量子计算中的应用：量子计算是一种全新的计算方式，自旋电子学中的自旋量子位可以用来存储量子信息，实现量子计算。
自旋电子学中的自旋转移矩效应与自旋电子器件研究新进展
自旋电子学中的自旋转移矩效应与自旋电子器件研究新进展自旋电子学是一门相对较新的物理学分支，涉及自旋电子的操控和应用。
自旋转移矩效应是自旋电子学中的一个重要现象，它在自旋电子器件的研究和应用中发挥着关键作用。
本文将详细解读自旋转移矩效应的基本定律、实验准备和过程，并探讨其在自旋电子器件研究中的新进展和应用。
自旋转移矩效应（spin-transfer torque，简称STT）是指自旋极化电流对磁矩的转移作用。
在自旋电子学中，电流携带的自旋极化可引起磁矩的移动和翻转，从而实现自旋信息的读写和存储。
STT的研究对于自旋电子器件的发展具有重要意义。
首先，我们可以从磁体的逆磁电阻效应（GMR）开始解读STT的基本定律。
GMR现象表明，当电流通过一个具有磁性层的金属多层膜时，由于自旋极化电流的存在，电阻将与磁自旋方向有关。
这一效应被用于读取磁性存储介质中的自旋信息。
STT则进一步利用了这种磁性层中的自旋极化电流，通过施加一个垂直磁场，使得磁矩沿着特定方向旋转，实现了自旋信息的写入。
在进行STT实验前，我们需要准备一些实验装置和材料。
首先，需要制备一些磁性多层薄膜样品，其中包含磁性层和非磁性层，用于观察STT效应。
其次，需要配置一台实验仪器，如霍尔效应测量仪，用于测量和分析自旋极化电流和磁矩的变化。
最后，还需要一些实验材料，如电路板、导线和稳压电源等。
实验的过程如下：首先，将制备好的磁性多层薄膜样品固定在实验装置中，并连接电路板和电流源。
然后，通过电流源施加一定大小的电流并选择合适的频率，以产生自旋极化电流。
接着，通过霍尔效应测量仪测量电流和磁矩的变化，以获得STT效应的相关数据。
最后，根据实验数据分析自旋极化电流对磁矩的转移作用，并进一步探究其在读写自旋信息中的应用。
自旋转移矩效应在自旋电子器件的研究中有着广泛的应用。
例如，自旋转移矩随机存储器（ST-RAM）利用STT效应实现了高速、低功耗和非易失性的自旋极化数据存储。
自旋电子学中的一些新进展
自旋电子学中的一些新进展近年来，自旋电子学这个领域受到了越来越多的关注。
自旋电子学的基础是电子的自旋，既可以作为电子自由度的扩展，也可以作为一种新的信息储存和传输方式。
自旋电子学应用在磁学、半导体、量子信息等领域，为这些领域的发展带来了新的契机。
在这篇文章中，我们来探讨一些自旋电子学的新进展。
一、磁化反转的动力学过程磁电子学是自旋电子学的一个重要应用领域。
磁性材料在外加磁场的作用下会发生磁化反转，这个过程是由磁矩朝着外加磁场方向旋转的。
磁化反转的动力学过程是很复杂的，近年来，科学家们通过自旋动力学模拟来研究磁化反转的过程。
他们发现，在磁化反转的过程中，磁矩会先发生预转动，然后才会开始实际的翻转。
预转动是在磁矩和外场方向之间产生的能垒被扫除之后发生的。
磁矩的预转动对于磁矩翻转的速度和磁矩的能量耗散起到了重要的作用。
二、新型材料的设计金属自旋电子学是自旋电子学的另一个重要应用领域。
与传统的半导体相比，金属自旋电子学的一个优点是电子的动力学时间比较短，因此，可以获得更高的操作速度。
研究人员们设计了一种新型的平面磁化存储器。
这种存储器的设计基于铁、铬和铂三种金属的叠层结构。
这个结构具有极高的磁性，可以在高温下稳定工作，还具有很高的热稳定性。
三、注入自旋的研究自旋注入是自旋电子学中的一个非常重要的领域。
自旋注入是将自旋电子引入材料中，从而实现新型电子元器件和存储器等的制造。
近年来，研究人员们在自旋注入的研究中做出了一定的进展。
他们提出了一种新的自旋注入机制，即在光场中引入电场。
这种机制可以增强电子和光子之间的耦合，从而实现更高效的注入。
四、磁性材料的快速交换磁性材料的快速交换是实现自旋电子学应用中的一个重要问题。
近年来，科学家们发现了一种新型的磁性材料，在这种材料中，磁矢的快速交换比在普通磁性材料中要快得多。
这种材料的优势在于，可以用来制造能够更快地进行翻转的磁性存储器和转换器。
五、量子自旋交叉的研究量子自旋交叉是自旋电子学中一个新的领域。
自旋电子学的研究及其应用
自旋电子学的研究及其应用自旋电子学是一门近年来不断发展壮大的物理学分支，在许多领域有着广泛的应用。
自旋电子学的本质是将电子的自旋作为信息存储和处理的基本单元，与传统的电荷电子学不同，自旋电子学主要研究自旋极化和磁性材料的物性等问题。
本文将围绕自旋电子学的研究和应用展开探讨。
自旋电子学的研究基础自旋电子学最早起源于20世纪50年代，当时电子学的主要研究方向是电子的电荷性质。
然而，在20世纪60年代初期，一些科学家发现，电子不仅有电荷，还有自旋。
自旋是电子特有的一种角动量，带有一定的磁性。
磁性的自旋可以看作是一种磁场，因此，自旋可以被用来控制磁性物质的电学性质，也可以被用来存储和传输信息。
自旋电子学的研究涉及到自旋的量子力学和自旋极化的物理化学等多个领域。
其中最关键的问题是如何将电子的自旋转化为可控制的电学信号。
经过多年的研究，科学家找到了一种用自旋控制电学信号的方法，就是通过自旋极化电流来控制材料的磁性，从而实现信息的存储和处理。
自旋电子学的应用自旋电子学的应用非常广泛，可以涉及到信息技术、能源、生物医学、环境保护等多个领域。
以下将列举几个自旋电子学的应用案例。
1. 磁性存储器磁性存储器是自旋电子学最主要的应用之一。
磁性存储器是一种通过自旋极化来实现信息存储和读出的储存设备。
磁性存储器可以用来存储各种类型的数据，如音频、视频、图像等。
目前，磁性存储器已经成为了大规模数据存储的重要工具。
2. 自旋电子器件自旋电子器件是一种通过自旋控制的电子设备。
自旋电子器件可以通过调节自旋极化来控制电子的输运、逆转和操纵等。
自旋电子器件可以广泛应用于电磁学、电子器件工程、物理化学等领域。
3. 磁性减震器磁性减震器是一种通过自旋极化来减少震动的设备。
磁性减震器可以通过磁场的作用将机台内部的震动缓解，从而减少机器的噪音和振动。
磁性减震器在机械工程、制造工艺等方面有广泛的应用。
4. 纳米磁性探针纳米磁性探针是一种通过自旋极化来探测材料结构和性质的工具。
自旋电子学的研究及应用
自旋电子学的研究及应用自旋电子学是一门新兴的物理学科，它旨在探索电子自旋在材料中的物理现象和应用。
随着纳米技术的发展，自旋电子学已成为一个高度活跃的领域，尤其是在磁存储、量子计算和自然大气层探测等方面，都有着广泛的应用前景。
自旋电子学的研究初衷是为了更好地理解电子的结构和运动，以便更好地进行电子设备的设计和制造。
而传统的电子学研究集中在电子的带电粒子特性上，而自旋电子学则是研究电子自旋这一新特性，即电子固有的自旋角动量，因为这种特性可以用来存储和传输信息。
在自旋电子学中，研究人员可以探索电子之间的相互作用、电子在材料中的分布、电子在磁场中的行为等问题。
将自旋电子学应用于磁存储技术中，是自旋电子学中的一个非常成熟和广泛应用的领域。
传统的磁存储器件是基于磁性材料的磁性特性进行工作的，而自旋电子学中的磁性存储器件可以利用电子自旋作为信息存储单位，因其优点是数据更加稳定和可靠，所以可以达到更高的存储密度和读写速度。
目前，自旋电子学在磁盘存储、磁性随机存储器、磁性纳米线和磁性隧道晶体管等方面的研究都取得了重要的进展。
另外，自旋电子学还可以应用于量子计算机中。
量子计算机的核心是利用量子比特(qubits)作为计算的基础单位，而自旋电子学则是探索电子自旋的性质以实现qubits。
相比于传统计算机，量子计算机使用的量子比特能够处理大量的信息，因此可以更高效地进行计算。
自旋电子学中的量子比特技术已经用于量子比特的设计和制造，并且取得了一些重要的进展和成果。
例如，利用自旋量子比特可以实现比特的非破坏性读取和写入，从而在量子计算中实现了单比特控制操作。
在自然大气层探测领域，自旋电子学也有着重要的应用。
大气层对于太阳活动的响应是一种自旋极性反转现象，即自旋电子的自旋极性会随着太阳活动周期变化。
自旋电子学可以利用自旋电子在大气中的特性来检测这种自旋极性反转现象，从而可以更好地研究大气层和太阳活动对地球的影响，具有很大的科学价值。
自旋电子学研究进展磁学会议
反铁磁层
钉扎铁磁层
自由铁磁层
S i
FeNi 15 nm
FeNi 15 nm
Cu 2.6 nm
FeMn 15 nm
Ag 2 nm
MR=2.2 %
增加纳米氧化层的自旋阀
Koui.et al和Huai et al 8th.Joint MMM-Intermag Conference2001
Courtesy of NVE
Compassing
Global Position Systems
Vehicle Detection
Navigation
Rotational Displacement
Position Sensing
Current Sensing
Communication Products 通信产品
用第一性原理计算隧道电导和磁电导
小原子是镁，大原子是铁，大原子上的黑球是氧。Fe[100]平行MgO(100)面上的[110]方向。
多数电子和少数电子在费米面 附近态密度完全不同。
结构模型
Mg
1
o
Fe
[010]
[100]
[110]
2
[100]
Fe
MgO
多数电子和少数电子在费米面 附近态密度大体相同。
纳米氧化层
NOL(Nanooxide layer)
∆R/R=15％ ( >10％ )
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
-600
-400
-200
0
200
400
600
H ( Oe )
MR ( % )
自旋电子学研究进展(磁学会议)
h
1
自旋
自旋
一、序言
四、半导体自旋电子
二、巨磁电阻GMR
五、MRAM研究进展
三、隧道磁电阻TMR h
2
一、序言
电荷 e1.60210x1019c
电子
电子
自旋 M s1.16530x1029W b/m
在半导体材料中有电子和空穴两种载流子，利用这两种 载流子的输运性质，1947年发明了晶体管，开创了信息时代。
MR(%)
CIP
CPP
1994年 Pratt和Levy 垂直多层膜的GMR(CPP)，比CIP高4倍的变化
Phys.Rev.Lett.66(1991)3060--------70(1993)3343
h
4
2
0
13
-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400
H(Oe)
增加纳米氧化层的自旋阀
图中所示为样品的退火温度
28
2005.2 实验结果
室温：MR=220％ 4K：MR=300％
热稳定性可超过 4000C,有利于与 CMOS配合
用磁控濺射制备的MgO磁隧道(80x80m2)
TA=3700C TA=3800C
TA=3600C
MgO:立方晶体(100)织构； CoFe：b.c.c.(100)织
构；IrMn：f.c.c.(100)织构
h
三种样品的TMR与退火温度的关系，
这就是自h 旋极化的各向异性起因。
22
2001.1实验结果
MgO单晶势垒的磁隧道效应
w.wulfhekel Appl phys lett vol 78 509 (2001.1)
电子自旋的研究报告
电子自旋的研究报告摘要：本研究报告旨在探讨电子自旋的基本概念、研究方法以及其在物理学和材料科学领域的应用。
通过对电子自旋的理论模型和实验观测的综合分析，我们得出了一些重要结论，并对未来的研究方向提出了建议。
1. 引言电子自旋是描述电子独特属性的一个重要概念，它与电子的轨道运动相对独立。
自旋可以理解为电子围绕自身轴心旋转的运动，它具有两个可能的取向：上自旋和下自旋。
电子自旋的研究对于理解原子、分子和固体材料的性质具有重要意义。
2. 电子自旋的理论模型电子自旋最早由Pauli在1925年引入，他提出了著名的Pauli不相容原理，即同一量子态下的电子自旋不能完全相同。
根据量子力学的描述，电子自旋可以用自旋角动量算符来表示，其取值为±1/2。
电子自旋的量子态由自旋向上和自旋向下的线性组合构成。
3. 电子自旋的实验观测电子自旋的实验观测主要通过磁共振技术实现。
核磁共振（NMR）和电子顺磁共振（EPR）是常用的实验方法，它们通过测量样品在外加磁场下的共振吸收信号来确定电子自旋的性质和行为。
此外，基于自旋电子学的研究也为电子自旋的观测提供了新的途径。
4. 电子自旋的应用电子自旋在物理学和材料科学领域有着广泛的应用。
在量子计算中，电子自旋被用作量子比特的信息载体，其离散的取值使得量子计算具备了高度的稳定性和可控性。
此外，电子自旋还被应用于磁性材料的研究，如磁存储材料和磁传感器。
5. 电子自旋的未来研究方向尽管电子自旋的研究已取得了重要进展，但仍存在许多待解决的问题和挑战。
未来的研究可以从以下几个方面展开：深入理解电子自旋与其他自由度（如轨道、自旋轨道耦合）的相互作用；开发新的实验技术和材料系统，以实现对电子自旋的更精确控制和测量；探索电子自旋在量子信息处理和量子材料中的更广泛应用等。
结论：电子自旋是一个重要的物理学概念，其研究对于理解物质的性质和开发新的应用具有重要意义。
通过深入理解电子自旋的理论模型和实验观测，我们可以进一步拓展其在量子计算和磁性材料等领域的应用。
自旋电子学的原理及应用
自旋电子学的原理及应用自旋电子学是一种新型电子学，它有着非常独特的原理和应用。
与传统电子学不同，自旋电子学可以通过控制电子的自旋来实现信息的存储和传输，同时还可以用于磁性材料的设计和制造。
本文将从自旋电子学的原理和应用两个方面进行阐述。
一、自旋电子学的原理自旋电子学是通过对电子自旋的控制实现信息传递和存储的一种新型电子学。
自旋是电子的一种基本性质，类似于电子的电荷和质量，但与电荷和质量不同的是，自旋是一个量子数，它表示电子的自旋角动量。
自旋有两个方向，分别为“上自旋”和“下自旋”。
自旋电子学的基本原理是，通过控制电子的自旋，可以实现信息的存储和传输。
自旋的控制是通过磁场实现的。
在磁场的作用下，电子的自旋会发生偏转，进而产生一个“自旋极化”的效应，即自旋向上的电子和自旋向下的电子在数量上不再相等，这就为信息存储和传输提供了可能。
自旋电子学的另一个重要原理是磁性材料中的自旋极化。
磁性材料中的自旋由于磁相互作用而定向，进而导致自旋极化现象的产生。
这个现象可以被用于磁性材料的设计和制造。
二、自旋电子学的应用自旋电子学的应用广泛，涵盖了信息技术、材料科学和物理学等领域。
以下是自旋电子学的几个常见应用。
1. 磁存储器磁存储器是自旋电子学最为广泛的应用之一。
磁存储器的工作原理是基于磁性材料中的自旋极化现象。
利用磁场可以将磁性材料中的自旋定向，这就实现了信息的存储。
磁存储器具有容量大、读写速度快、耐久性强等优点，被广泛应用于计算机、移动设备等电子产品中。
2. 自旋电荷分离器自旋电荷分离器是一种能够将电子的自旋和电荷分离的器件，也是自旋电子学中的重要应用之一。
它的工作原理是通过一定的材料结构和电场作用，将自旋极化的电子在材料中运动时，自旋和电荷的运动方向不同，进而发生分离。
自旋电荷分离器具有快速响应、高效率、低功耗等优点，被广泛用于传感器、运算器等领域。
3. 磁电隔离磁电隔离是利用自旋电子学中的自旋-轨道耦合现象实现的一种隔离效应。
电子自旋共振技术的应用研究
电子自旋共振技术的应用研究电子自旋共振技术是一种用于研究材料中电子结构的高精度技术，近年来在材料科学领域中被广泛应用。
本文将介绍电子自旋共振技术的基本原理及其应用研究。
一、电子自旋共振基本原理在物理学领域中，自旋是用来描述电子自身旋转的物理量。
自旋可以用角动量量子数s来表示，常见的有s=1/2、s=1等。
当电子在一定的外场作用下，其自旋将会发生共振，这就是电子自旋共振现象。
电子自旋共振实验中，需要将样品置于磁场中，将电子自旋磁矩与外磁场耦合，利用微波的辐射将电子自旋从基态激发到激发态，测量样品在不同磁场强度下的共振信号，进而得到样品中电子自旋的信息。
这种技术可以用来研究材料的电子结构以及局域电子态等信息。
二、电子自旋共振的应用研究1. 材料物理学研究电子自旋共振技术在材料物理学研究中被广泛应用，可以用来研究材料中的自由基、缺陷、氧化物、磁性材料等。
例如，研究晶体管中的氧空位缺陷可以利用电子自旋共振技术来确定其位置、数量及类型；分析材料的电子结构和能带结构时，可以通过探究其电子自旋共振谱来获取局域电子态信息，进而研究材料内部的电子结构。
2. 生命科学研究电子自旋共振技术在生命科学研究中也有较为广泛的应用，可以用来研究生物分子的结构、作用原理等。
例如，利用电子自旋共振技术可以研究蛋白质的结构变化、疾病诱导的构象变化等；可以分析药物与受体结合时的分子级动态过程。
3. 环境科学研究电子自旋共振技术对于环境科学研究也有很大的应用，可以用来研究环境中的自由基、磁性物质等。
例如，可以通过电子自旋共振技术研究大气中自由基的分布、来源和化学反应过程；还可以用来研究土壤中磁性粒子的来源、大小和组成等。
4. 化学研究电子自旋共振技术在化学研究领域中的应用主要集中在分析化学和有机化学等。
例如，可以利用电子自旋共振技术来分析各式各样的化合物的性质、组成和有机金属反应机理等问题；可以研究分子之间的相互作用以及反应原理。
结语作为一种研究材料中电子结构的高精度技术，电子自旋共振技术在材料科学、生命科学、环境科学和化学等领域中都有广泛应用。
凝聚态物理中电子自旋相干现象研究进展
凝聚态物理中电子自旋相干现象研究进展凝聚态物理是研究固体材料中大量粒子的集体行为和性质的一个重要分支领域。
而电子自旋相干现象则是凝聚态物理中的一个热门研究课题。
自旋相干指的是电子自旋之间的相互作用，它对于理解和探索新型材料的性质和潜在应用具有重要意义。
本文将介绍电子自旋相干现象的研究进展，包括自旋极化、自旋震荡、自旋输运等方面。
自旋极化是指在外加磁场或自旋极化源的作用下，电子自旋的取向发生改变。
在凝聚态物理中，自旋极化可以通过多种手段实现。
其中一种重要的方法是外加磁场对材料进行磁化处理。
通过调节磁场强度和方向，可以实现对材料中自旋的取向控制。
近年来，研究人员还发现了一种新型的自旋极化手段，即自旋注入技术。
该技术利用了磁性材料或自旋极化源与非磁性材料之间的界面相互作用，实现了非磁性材料中自旋的极化。
这一方法不仅在凝聚态物理中具有重要意义，还在自旋电子学中具有潜在应用。
自旋震荡是自旋系统中产生的一种动态行为。
它包括自旋共振和自旋振荡两个方面。
自旋共振是指在外加射频场的作用下，电子自旋与射频场频率相匹配，发生共振现象。
自旋振荡则是指在自旋系统之间通过相互作用传递自旋的过程。
自旋震荡现象在磁共振成像技术中得到了广泛应用。
通过调节射频场的频率和强度，可以实现对材料中自旋的操控和检测。
自旋输运是自旋系统中电子自旋输送的过程。
在凝聚态物理中，电子自旋输运的研究具有重要的理论和实际意义。
自旋输运可以通过磁性材料中的自旋电子流实现。
这种自旋流可以在晶格中的自旋三重简并态或异质结构界面上产生。
通过研究自旋输运现象，可以揭示材料的自旋耦合和输运机制，为开发自旋电子学器件提供新的思路和方案。
除了自旋极化、自旋震荡和自旋输运，凝聚态物理中还有许多其他与电子自旋相干相关的研究课题。
例如，自旋轨道耦合是指电子自旋和轨道运动之间的相互作用。
自旋轨道耦合可以引起自旋预处理、真实反常霍尔效应等多种奇异电子现象。
另外，自旋电子学和自旋量子计算等也是当前研究的热点领域。
自旋电子学在物理芯片中的应用研究
自旋电子学在物理芯片中的应用研究自旋电子学是一项前沿科技，它利用电子的自旋来进行信息存储与传输。
该技术在物理芯片领域具有广泛的应用前景，可以大大提高芯片的性能和功能。
本文将就自旋电子学在物理芯片中的应用进行深入研究。
一、自旋电子学的原理与特性自旋电子学是一种基于电子自旋操控的新型电子学技术。
与传统的电子学技术相比，自旋电子学在信息存储和传输上有着许多独特的特性。
首先，自旋电子学可以实现高速的信息传输，因为电子的自旋可以在不受电流限制的情况下自由运动。
其次，自旋电子学可以实现非易失性存储，即信息可以长期保存而无需外界能量供应。
此外，自旋电子学还具有可扩展性和低功耗等优点，这使得它成为了未来物理芯片领域的重要研究方向。
二、自旋电子学在物理芯片中的应用1. 量子计算自旋电子学在量子计算领域具有巨大的应用潜力。
由于自旋具有自旋上下量子自旋态的特性，可以作为量子比特进行信息存储与传输。
借助自旋电子学的技术，可以实现更稳定、更高速、更多信息量的量子计算，有望在密码学、模拟器和优化问题等方面取得突破。
2. 磁性存储自旋电子学在磁性存储领域也具有重要的应用价值。
传统的磁性存储设备是基于电流操控磁性材料的，而自旋电子学可以通过操控电子自旋来实现磁性存储。
相比传统的磁性存储设备，基于自旋电子学的磁性存储具有更快的读写速度、更大的存储密度以及更低的功耗，能够满足现代物理芯片对存储容量和读写速度的要求。
3. 自旋霍尔效应传感器自旋电子学还应用于自旋霍尔效应传感器领域。
自旋霍尔效应是指当电流通过具有磁场的半导体材料时，会产生自旋极化电流。
基于自旋霍尔效应的传感器可以实现对磁场、电流和温度等参数的高灵敏度检测，因此在磁传感、自旋电子学体系和微纳电子学领域有着广泛的应用前景。
4. 自旋电流调制器自旋电流调制器是自旋电子学在物理芯片中的另一种重要应用。
通过操控外界磁场或电压，可以调控自旋电子的极化方向和强度，从而实现对电流的准确调控。
电子器件中自旋电子学的研究和应用
电子器件中自旋电子学的研究和应用随着现代电子工业的不断发展，越来越多的电子器件涌入了市场并被人们广泛使用。
在这些电子器件中，自旋电子学正逐步崭露头角，成为一个备受瞩目的研究领域。
自旋电子学作为一种新兴的研究方向，既有基础理论的探索，也有实际应用的开发。
本文主要从自旋电子学的基础理论、实验方法和最新应用方面阐述其研究现状和未来展望。
一、自旋电子学的基础理论自旋电子学是基于自旋电子的特性来研究电子器件的一门学科。
所谓自旋，是指电子固有的一个属性，类似于电荷、质量等物理量。
与电子的电荷不同，自旋（通常用符号S表示）具有方向性，可以是“上旋”，也可以是“下旋”。
在自旋电子学中，人们不仅仅探讨电子的电荷属性，更加注重电子的自旋属性，并通过控制自旋属性，来实现电子器件的控制和调控。
基于自旋的电子器件，最初源于对磁性材料的研究。
人们发现，在磁性材料中，电子需要同时具有自旋和向心向力才能在材料中存在，而在非磁性材料中，电子只需要具有向心向力就能存在。
由此可以看出，自旋和磁场密切相关。
此后，人们逐渐发展出一系列基于自旋的电子器件，如自旋晶体管、磁隧道结等。
二、自旋电子学的实验方法自旋电子学要想得到开发和应用，就必须在实验上进行探索和研究。
由于自旋电子的特殊性质，需要研究人员在实验中掌握一些特殊的技术手段和控制方法。
以下是自旋电子学的几种实验方法。
1. 磁吸收实验磁吸收实验是自旋电子学中最重要的实验方法之一。
该方法是通过对样品施加微弱的外加磁场来测定电子的自旋方向，从而了解材料性质。
磁吸收实验可以反映出样品中自旋向上的电子数占总电子数的比例，从而测定出自旋极化率。
2. 磁性共振实验磁性共振实验也是自旋电子学中常用的实验方法之一，它是通过对样品在恒定的外加磁场下施加一定的射频场，使得处于磁共振状态的电子发生能量吸收和放出，进而测定样品的性质。
3. 光学反演实验光学反演实验是一种利用逆光学原理测量自旋元激发的方法，可以通过极化光在样品中传播后所产生的旋转角度，得出样品中自旋元的旋转方向。
自旋电子学中的自旋动力学行为研究
自旋电子学中的自旋动力学行为研究自旋电子学是一门研究自旋在材料中的传输和控制的领域。
近年来，研究者们对于自旋电子学中的自旋动力学行为进行了广泛的研究。
在这篇文章中，我们将探讨自旋电子学中的自旋动力学行为以及相关的研究进展。
在自旋电子学中，自旋是电子的一种内禀属性，类似于电荷。
与传统的电子学研究相比，自旋电子学具有更大的潜力和广阔的应用前景。
自旋电子学的研究主要围绕着自旋的控制、传输和操纵展开。
而自旋动力学行为则是研究自旋在材料中的运动和变化规律。
在自旋电子学中，自旋动力学行为的研究具有重要的理论和实验价值。
通过研究自旋在材料中的运动、演化以及受到外界影响的响应，可以深入理解自旋电子学中的基本物理过程。
同时，对于这些自旋动力学行为的认识和掌握，也为自旋电子学的应用提供了理论指导和技术支持。
自旋动力学行为的研究领域非常广泛，其中包括自旋输运、自旋翻转、自旋传播等等。
自旋输运研究主要关注自旋在材料中的传输和操控。
通过调控材料的结构和相互作用，可以实现电子自旋的输运，并且可以探索自旋在不同材料中的传输性质。
自旋翻转研究则主要关注自旋的翻转和操纵。
自旋翻转是将自旋向另一个方向改变的过程，可以通过磁场、自旋-轨道相互作用等手段来实现。
自旋传播研究则关注自旋在材料中的传播速度和衰减行为。
通过研究自旋在材料中的传播性质，可以了解自旋的耦合机制和相互作用方式。
自旋动力学行为的研究不仅依赖于先进的实验技术，还需要强大的理论支持。
理论模型可以帮助我们理解和解释实验现象，并预测新的自旋动力学行为。
量子力学和自旋理论是研究自旋动力学行为的重要理论基础。
量子力学提供了描述自旋动力学行为的数学框架，而自旋理论则是从能量和自旋的角度出发，解释了自旋动力学行为的本质。
自旋动力学行为的研究为自旋电子学的发展和应用提供了理论基础和实验依据。
通过深入研究自旋动力学行为，可以实现自旋信息的传输、存储和处理，有望在新一代电子器件、自旋电子器件和量子计算领域实现突破性的进展。
自旋电子学的新进展
自旋电子学的新进展自旋电子学是一门新兴的领域，它研究自旋在电子学中的应用和潜力。
正如我们知道，传统的电子学是基于电子的电荷来进行操作和传输信息的，而自旋则是电子的另一个重要属性。
自旋电子学的发展，将为信息处理、储存和传输等领域带来许多新的机会和挑战。
一方面，自旋电子学在信息处理方面具有巨大的前景。
传统的计算机基于二进制逻辑门进行信息的处理，而自旋电子学可以利用自旋的两个状态——上自旋和下自旋，来代表1和0。
这种自旋逻辑门具有较低的功耗和更快的速度，因此自旋电子学在信息处理上有着很大的潜力。
此外，自旋电子学还可以实现一种称为自旋转换的技术，通过改变电子自旋的状态来实现信息的传输和交换，从而实现非常快速和高效的信息处理。
另一方面，自旋电子学在磁存储领域也具备重要意义。
磁存储是当前主流的数据存储技术，而自旋电子学的出现可以进一步提升磁存储的性能。
传统的磁存储使用外加磁场对磁性材料进行编码和读取信息，而自旋电子学则可以利用自旋来实现磁存储的工作。
这种新型的磁存储方式不仅可以实现更高的存储密度，还可以提高读写速度和数据的稳定性，为未来的大规模数据存储提供更好的解决方案。
除了信息处理和磁存储，自旋电子学还在其他领域取得了一些突破性的进展。
例如，在能源转换方面，自旋电子学可以应用于太阳能电池和燃料电池等能源设备，以提高能源的转换效率和稳定性。
在传感器和生物医学方面，自旋电子学也可以被用于开发更灵敏和高效的传感器，以及用于生物标记和药物传输的纳米粒子等。
当然，这些领域的应用还需要更多的研究和探索，但自旋电子学已经展示出了其在多个领域中的巨大应用潜力。
不过，尽管自旋电子学取得了许多令人兴奋的进展，但仍然存在一些挑战和限制。
例如，自旋电子学的研究需要在极低的温度下进行，这给实际应用带来了一些困难。
此外，自旋电子学技术的制备和集成也是一个挑战，需要发展更好的材料和工艺。
这些问题需要科学家们继续探索，并努力解决，以推动自旋电子学的发展和应用。
自旋电子学的研究与发展
自旋电子学的研究与发展自旋电子学是一种全新的物理学科，它主要研究电子自旋在材料中的行为和作用。
近年来，自旋电子学已经得到了广泛的研究和应用，尤其是在信息技术方面，为我们带来了无数的创新和改变。
在本文中，我们将深入研究自旋电子学的基础知识、研究进展和发展趋势，以及其在信息技术领域中的应用。
自旋电子学基础知识电子自旋是指电子内部的一种运动状态，它可以看作是电子在自转，类似于地球的自转。
普通的电子只具有自旋量子数为+1/2或-1/2的两种状态，但在一些特殊的材料中，电子可具有更复杂的自旋状态。
自旋可以和外加磁场发生相互作用，从而影响电子的运动。
自旋电子学的研究和应用就是基于电子自旋和其相互作用的基础之上的。
自旋电子学主要涉及几个基础概念：自旋、自旋极化、磁各项异性、自旋交互作用等。
在自旋电子学中，我们主要关心的是自旋极化，即电子自旋在某个方向上的偏振。
自旋电子学的研究进展在过去的几年中，自旋电子学在基础研究和应用方面都取得了重大进展。
其中比较重要的研究领域有以下几个方面：1.自旋注入材料的研究：自旋注入可以实现在非磁性材料中操控电子自旋。
自旋注入材料是一些特殊的材料，可以将电子自旋注入到非磁性材料中，从而实现对电子自旋的操控。
这种技术可以应用于电子器件中，尤其是在信息存储和传输中。
2.自旋电流传输的研究：自旋电流传输是一种全新的电子输运方式，由于电子自旋可以沿着一个特定方向运动，因此可以实现对电子自旋的操控和传输。
这种技术可以应用于磁性存储、高速计算和通信领域。
3.自旋Hall效应的研究：自旋Hall效应是自旋电子学中的一个重要概念，它是指在特定条件下，自旋极化电子的自旋和速度在材料中会产生一个特定的角度关系，从而形成自旋Hall电流。
这种技术可以用于特定的传感器和自动化控制系统中。
自旋电子学的应用发展趋势自旋电子学在信息技术领域中的应用潜力巨大，未来的发展趋势主要包括以下几方面：1.自旋存储技术：自旋存储技术是基于自旋电子学的一种新兴的储存技术。
自旋电子学中的磁性调控与自旋输运研究
自旋电子学中的磁性调控与自旋输运研究自旋电子学是一门研究自旋与电子的相互作用以及应用的学科。
在自旋电子学中，磁性调控和自旋输运是两个重要的研究方向。
本文将分别讨论磁性调控和自旋输运在自旋电子学中的研究进展和应用。
磁性调控是通过外部磁场或者电场来调节材料中的自旋磁矩，从而实现对自旋态的控制和调整。
目前，人们已经成功地实现了材料中自旋态的反转和切换，这对于信息存储和处理具有重要意义。
举个例子，磁性记忆体就是一种利用磁性调控实现信息存储的器件。
其原理是通过改变材料中自旋磁矩的方向，来存储不同的信息。
这种磁性记忆体可以实现非易失性的信息存储，即使断电也能保持数据的完整性。
除了信息存储，磁性调控还可以用于磁性传感器的研究和应用。
磁性传感器是一种通过测量材料中的磁场强度来检测外界磁场的器件。
利用磁性调控可以提高磁性传感器的灵敏度和响应速度，从而实现更高精度的磁场检测。
这对于地球磁场探测、医学图像处理以及导航系统等领域都具有重要的应用价值。
自旋输运是指自旋电子在材料中的传输过程。
在传统的电子输运中，以电荷载体（即电子）为基础，而在自旋输运中则以自旋为基础。
自旋输运可以通过改变磁场、电场或者温度等手段来控制，具有自旋自耦合、自旋极化和自旋哈密顿量等特性。
研究自旋输运既可以帮助我们更深入地理解自旋电子的行为，也可以为自旋电子学的应用提供理论基础。
在自旋输运的研究中，人们发现自旋霍尔效应是一种重要的现象。
自旋霍尔效应是指自旋电荷耦合在材料中产生的电荷分离效应，这种效应可以用来制备自旋电子学中的重要器件，如自旋晶体管和自旋滤波器。
此外，自旋霍尔效应还是研究拓扑绝缘体和拓扑量子计算的重要基础。
除了自旋霍尔效应，自旋输运还涉及自旋电流和自旋扭曲等现象的研究。
自旋电流是指自旋极化电子的电流，而自旋扭曲则是指自旋电子流中自旋分量的空间变化。
对于这些现象的研究和理解，有助于构建自旋电子学中更高效、更可靠的器件。
总结来说，磁性调控和自旋输运是自旋电子学中的两个重要研究方向。
自旋电子学技术的发展趋势和应用
自旋电子学技术的发展趋势和应用自旋电子学技术是一种新兴的领域，它的发展趋势和应用前景值得关注。
在这篇文章中，我们将探讨自旋电子学技术的发展趋势和应用，以及它对我们的生活和社会的影响。
一、自旋电子学技术的发展趋势在过去的几十年间，自旋电子学技术已经取得了长足的进展。
目前，自旋电子学技术已经广泛应用于磁存储、磁传感、磁随机存储、磁存储器等领域。
未来，随着微电子和纳米技术的发展，自旋电子学技术将迎来更广阔的应用前景。
一方面，自旋电子学技术将继续向微纳米尺度下发展。
随着芯片尺寸不断缩小，自旋电子学技术将成为解决芯片小尺寸下存储和传输问题的重要手段。
另一方面，自旋电子学技术也将不断探索新的材料和结构，以实现更高的性能和更广泛的应用。
二、自旋电子学技术的应用1. 磁存储自旋电子学技术在磁存储领域的应用已经得到了广泛的应用。
通过将信息编码成磁场的极性和方向，可以实现高速和大容量的磁存储。
而自旋电子学技术则可以利用电子的自旋特性来实现更高的数据密度和更快的速度。
未来，自旋电子学技术也将成为实现更高效的磁存储技术的重要手段。
2. 磁传感自旋电子学技术在磁传感领域也有着广泛的应用。
通过利用电子的自旋特性，可以实现高灵敏度和高分辨率的磁传感器。
在一些特殊的环境下，如高温、高压等，传统的磁传感器难以工作，而自旋电子学技术则能够适应这些环境，并实现高精度的磁场探测。
3. 磁随机存储磁随机存储是一种新型的存储技术，它通过利用自旋电子学技术来实现高速和高稳定性的数据存储。
与传统的存储技术相比，磁随机存储可以实现更高的数据密度、更快的读写速度以及更低的功耗。
未来，随着芯片尺寸不断缩小，磁随机存储技术将成为实现更高效的存储方式的重要手段。
4. 磁存储器自旋电子学技术在磁存储器领域也有着广泛的应用。
通过利用电子的自旋特性，可以制备出高性能的磁存储器。
自旋电子学技术在存储器领域的应用已经被广泛研究和应用，未来也将继续得到发展和应用。
自旋电子传输及操控方法研究进展
自旋电子传输及操控方法研究进展近年来，随着纳米技术的迅猛发展，自旋电子传输及操控方法的研究成为了科学界的热门话题。
自旋电子作为电子的另一种内禀性质，可以用来存储和传输信息，具有较高的潜力和广泛的应用前景。
本文将对自旋电子传输及其操控方法的研究进展进行综述。
首先，自旋电子传输涉及到自旋注入、传输和检测等关键步骤。
自旋注入是将自旋极化的电子注入到器件中的过程。
常见的自旋注入方法有电流注入、热电注入和光电注入等。
其中，电流注入是最常用的方法，通过在晶体中施加垂直于自旋极化方向的电流，实现自旋极化的注入。
热电注入则利用热电效应，通过加热金属/磁性材料界面，使得自旋极化的电子被注入到器件中。
光电注入利用光磁效应，通过激光照射磁性材料，使得自旋极化的电子被光电子激发后注入到器件中。
自旋传输是指在器件中自旋极化的电子在外加电场或磁场的作用下进行传输。
自旋检测是指通过测量电流、磁阻或光电二极管的信号来检测电子的自旋极化程度。
其次，自旋电子操控涉及到自旋数据的处理和操作。
自旋数据的处理主要包括自旋电流的放大、滤波和数字化处理等步骤。
自旋电流的放大是利用放大器将微弱的自旋电流信号放大到可以被检测的范围。
滤波则是去除自旋电流信号中的噪声和干扰。
数字化处理将放大和滤波后的自旋电流信号转化为数字信号进行进一步的分析和处理。
自旋数据的操作则包括自旋转换、自旋操纵和自旋相干等技术。
自旋转换是指将自旋极化的电子转化为不同自旋方向的过程。
自旋操纵则是在外加电场或磁场的作用下对自旋进行控制，包括自旋翻转、自旋注入和自旋传输等操作。
自旋相干是指在自旋操控过程中保持电子自旋相位一致的能力。
现有的自旋电子传输及操控方法有许多研究进展。
例如，通过引入材料的拓扑绝缘效应，可以实现自旋注入的高效率和自旋传输的高纯度。
此外，石墨烯等二维材料的发现也为自旋电子的传输和操控提供了新的思路和方法。
石墨烯的特殊的能带结构使得其具有很高的载流子迁移率和较长的自旋弛豫时间，为自旋电子的传输和操控提供了有利条件。
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为 5%. 2006 年韩圣浩研究组[29]制成了La0.67Ca0.33MnO3/
Alq3/Co结构的有机自旋阀, 在 30 K时最大磁电阻率 达 50%, 100 K时饱和磁电阻率 14%. 韩圣浩等人分析 了磁阻和Co电极的矫顽场对温度的依赖关系, 得出 了磁阻关于温度的函数关系.
关键词 有机发光器件 磁阻 自旋注入
1 自旋电子学
2007 年诺贝尔物理学奖授予法国科学家 Fert A 和德国科学家 Grunberg P 以表彰他们在发现巨磁电 阻效应(giant magnetoresistance)方面所做的贡献. 为 了介绍巨磁电阻效应, 首先要介绍磁电阻效应, 这种 效应是指外加磁场导致器件电阻的变化, 磁电阻变 化率可以表示为: MR = [R(H)−R(0)]/R(0), R(0)和 R(H) 分别为器件在零磁场和磁场强度为 H 时的电阻. 几 乎所有的金属、合金及半导体都或大或小地存在磁电 阻效应.
1987 年Tang等人[32]报道了首个有机电致发光器 件, OLED器件在平面显示方面所具有的高发光效 率、快速响应时间、可制作在柔性衬底及低制造成本 等优越特性, 吸引了很多公司和科研机构投入研究.
传统的有机发光器件, 电子和空穴在有机发光 层中相遇会形成激子, 激子辐射复合产生光子, 即有 机电致发光器件的发光过程. 在产生激子的过程中, 由于电子是费米(Fermi)子, 具有的量子数为 1/2. 在 激 发 过 程 中 可 形 成 单 线 态 (singlet) 激 子 或 三 线 态 (triplet)激子, 由于泡利不相容原理, 三线态激子不能 直接跃迁到基态辐射发光[33]. 一般情况下, 有机电致 荧光器件的内量子效率最高只能达到 25%. 有机电 致磷光器件由于在有机分子中引入重原子(通常是重 金属原子), 增强了自旋-轨道耦合效应, 使三线态激 子向基态的跃迁由禁止变为可能, 这样在理论上单 线态和三线态激子都可以以辐射复合的形式回到基 态. 随着自旋电子学的发展, 考虑从控制载流子自旋 状态来控制三线态与单线态比率来提高器件发光效 率成为一种新的方法[34]. 研究施加磁场条件下OLED 器件的性能变化, 我们称之为自旋OLED器件.
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评述
导体中的自旋载流子的注入和输运, 测得的负磁电 阻现象表明有机半导体层中可以注入自旋极化的载 流子. 2004 年, Xiong等人[26]采用小分子有机半导体 Alq3 作为中间层, LSMO和Co作电极制成了第一个有 机自旋阀器件(图 3).
图 3 LSMO/Alq3/Co三明治结构[26]
器件产生的磁阻效应为巨磁电阻效应(图 1). 目前巨 磁阻效应已广泛应用于计算机领域, 使计算机硬盘 的容量提高了几百倍.
图 1 Fe/Cr多层膜的巨磁阻效应[3]
巨磁电阻效应的发现打开了一扇通向新技术世 界的大门——自旋电子学[4]. 传统的电子学只利用了 载流子的荷电性, 利用电场来控制载流子的输运, 而 自旋电子学还考虑了器件中电子的自旋特性, 通过 磁场等调制其自旋状态, 借助电子传导与磁性间的 关联效应, 实现对电子输运特性的调制[5]. 1.1 自旋极化和自旋输运
1986 年德国Julich研究中心的Grunberg等人[1,2] 对Fe/Cr/Fe三层膜的研究发现, 在Cr层适当厚度下, 器件的磁电阻率可以达到 1.5%. 1988 年Fert研究小组 [ 3] 利用分子束外延(MBE)工艺成功地制备出[Fe(3 nm)/Cr(0.9 nm)]60 交替生长的器件, 发现在温度和磁 场强度分别为 4.2 K和 2 T时, 器件的电阻降低了一半, 即使在室温下也下降了 17%, 这是一种巨大的负磁 电阻效应且和电流与磁场的相对取向无关. 这种由 铁磁性材料 和非磁性材料层交替生长制备的器件, 由于不同自旋的电子在铁磁性材料层中散射性质不 同, 当相邻铁磁性材料层中的磁化方向平行时, 电阻 会变得很低, 而当相邻铁磁性材料层中的磁化方向 相反时电阻则会变得很大, 其磁电阻变化率要比以 往发现的磁阻效应大许多, 因而称具有上述结构的
2004 年美国海军实验室的Davis和Bussmann[35] 制成了一系列NPB/Alq3 双层膜结构OLED器件, 其中 CrO2/NPB/Alq3/Gd/Au 结构的OLED器件在 100 K及 较 小 的 磁 场 强 度 条 件 下 , 呈 现 低 场 效 应 (low field effect, LFE), 其发光效率随磁场强度增加而增强, 增
2002 年李峰等人[34]以NPB作为空穴传输材料, Alq3 作为发光及电子传输材料, 磁性金属Ni作为自 旋极化层, 分别制作了结构为ITO/NPB(60 nm)/Alq3 (40 nm)/Ni(35 nm)及半透明阳极Ni/NPB(60 nm)/Alq3 (40 nm)/LiF(0.5 nm)/Al(120 nm)的有机电致发光器件, 获得了有效的电致发光.
2 有机自旋电子学的应用研究进展
有机自旋电子学作为一门颇具潜力的新兴领域 正吸引着越来越多的人对其机理和性质进行研究, 其重要的应用研究方向有: 有机自旋阀器件、自旋有 机电致发光器件(OLED)和有机磁阻器件(OMAR).
2.1 有机自旋阀器件
自旋阀器件就是具有铁磁层 1/非磁层/铁磁层 2 结构的器件, 自旋极化的载流子由铁磁层 1 注入到非 磁层中, 并保持自旋方向不变传输到非磁层与铁磁 层 2 界面处, 如果铁磁层 2 与铁磁层 1 的磁化方向相 同, 载流子受到比较小的散射就可以进入铁磁层 2, 整个器件电阻很小, 如果铁磁层 2 与铁磁层 1 的磁化 方向相反, 载流子在非磁层与铁磁层 2 界面处会受到 非常大的散射, 导致器件的电阻变大, 这样铁磁层 1 和铁磁层2 的磁化方向可以像阀门一样控制器件的导 通与截止. 2002 年Dediu研究组[23]首次报道了有机半
评述
2008 年 第 53 卷 第 23 期: 2865 ~ 2871
《中国科学》杂志社
SCIENCE IN CHINA PRESS
有机自旋电子学的应用研究进展
李峰①, 辛林远①, 马於光①, 沈家骢①, 刘式墉②
① 吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室, 长春 130012; ② 吉林大学集成光电子学国家重点联合实验室, 长春 130012 E-mail: lifeng01@
2008-06-12 收稿, 2008-09-23 接受 国家自然科学基金(批准号: 60706016)和优秀实验室基金(批准号: 60723002)资助项目
摘要 自从 2004 年第一个有机自旋阀器件报道以来, 有机自旋半导体器件的研究引起了广泛 的关注, 并取得了很大的进展. 本文阐述了与有机自旋电子学相关的一些概念、原理, 并重点 介绍了有机自旋电子学的三个重要的应用研究方向: 有机自旋阀器件、自旋注入有机电致发 光器件和有机磁阻器件的实验结果以及目前的理论解释.
自旋极化(spin polarization)和自旋极化输运是自
2865
2008 年 12 月 第 53 卷 第 23 期
旋电子学中的物理基础. 对于普通的非磁性材料, 电 子的自旋态是简并的, 参与输运过程的自旋向上(自 旋 量 子 数 为 +1/2) 与 自 旋 向 下 ( 自 旋 量 子 数 为 −1/2) 的 载流子密度相等(n↑ = n↓), 因此输运过程中载流子是 非自旋极化的. 但是对于铁磁金属和磁性半导体来 说, 自旋简并的电子能带发生分裂, 导致自旋向上与 自旋向下的载流子密度不相等, 从而形成自旋极化 的 载 流 子 注入 与 输 运 [6~13]. 通 常 定 义自 旋 极 化 率[6] P = [n↑ − n↓]/[n↑ + n↓], n↑, n↓分别为自旋向上和自旋向 下的载流子的数目. 人们一直在努力寻找完全极化 (P = 100%)的导电材料, 如CrO2[14]和钙钛矿锰氧化物 LaMnO3[15~17]等, 而铁、钴和镍在饱和磁场下的自旋 极化率分别为 40%, 34%和 11%.
由于Co和LSMO矫顽场不同, 因此可以通过调 节外加磁场使得两铁磁层磁化方向平行或者反平行 排列, 实验中测得低温下(10 K)的磁电阻率可以达到 40%(图 4). 除了低温下的自旋阀磁阻效应, 还观察到 了较高温度和强磁场(1~10 kOe)条件下的负磁阻现 象, Wu等人[27]称之为高场磁阻效应(high-field magnetoresistance, HFMR)并对此现象进行了研究, 在非 LSMO材料作电极的器件中没有发现HFMR现象, 因 此认为HFMR现象的产生和LSMO电极有关, 实验发 现LSMO薄膜可产生HFMR现象, 但数值较小, 只有 当LSMO电极和有机半导体材料形成界面时其HFMR 数值会成倍增加. 2005 年, Wang等人[28]以Fe材料代替 LSMO制成Fe/Alq3/Co三明治结构的自旋阀, 在 11 K 低温和磁场条件下观察到磁电阻率最大
继 Xiong 等 人 制 成 的 低 温 条 件 下 有 机 自 旋 阀 后 , Majumdar[30] 和 Kumar[31] 等 人 分 别 制 成 了 室 温 条 件 下 LSMO/P3HT/Co和 LSMO/P3OT/LSMO三 明 治 结 构 的 有机自旋阀器件.
2.2 自旋 OLED 器件
1.2 有机自旋电子学的优势
有机自旋电子学[24]将有机半导体材料作为研究 对象, 通过外加磁场等条件研究有机半导体材料内 载流子的自旋特性, 是自旋电子学与有机半导体相 结合的交叉学科. 通常自旋-轨道耦合作用和超精细 相互作用(电子自旋与体材料原子核自旋间的相互作 用)对载流子的散射能够导致载流子自旋方向的翻转, 从而丧失对自旋方向的记忆. 有机材料(通常由C, H, N组成)由于原子序数小而导致自旋-轨道耦合相互作 用和超精细相互作用比较弱, 使它具有更长的自旋 弛豫时间和弛豫距离[24], 可以比较好地实现对载流 子的自旋调控以充分利用其自旋特性, 而且具有特 殊结构的有机半导体还可能具有磁性, 如高分子-金 属配合物、分子内含氮氧稳定自由基结构的有机化合 物、平面大π键结构的有机物以及电子转移复合物 等 [25], 这些本身具有磁性的有机半导体为研究其内部 的自旋特性提供了有利条件.