［］游彪， ２ 盛雯婷， 孙亮等 ． 旋 电子学 的发展及 应用 ［］科技进 展，０ ３ 自 Ｊ． ２０ ，
２ （）２ ０ ２ ． ５ ４ ： ２ ￣２ ３
［ ］ 沈 顺清 ． ３ 自旋 电子 学和 自旋 流 ［ ］物 理， ０ ８ ３ （） １ ～２ ． Ｊ． ２ ０ ， ７ １ ：６ ３ ［］赖 武彦 ． ４ 自旋极化 的 电流 ［］物 理，０ ７３ （２ ：９ ￣９ ３ Ｊ． ２ ０， ６ １ ）８ ７ ０ ．
性 元素 ， 如在 Ｚ Ｏ Ｔ Ｏ Ｓ Ｏ 例 ｎ ， ｉ ， ｎ 和Ｇ Ｎ ａ 中掺杂 磁性 元素 ， 获得一 些居 里温 度超 过
所谓 自旋 电子学， 门 以研 究 电子 的 自旋 极化输运 特性及 基于 这些特性 是一
而 设计 、 开发 新 电子 器件 为主 要 内容 的一 门交叉 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 。
２ 自旋 电子 引起 的 特性
２ １ 巨磁 电阻效应 ．
室温 的稀 磁 半 导体 。遗 憾的 是 至今 还 没有 找 到适 合 在 室温 下 能做 磁 隧 道 结 Ｍ Ｊ的稀磁 半导 体， 且 同样 的材料各 人做 出来 的结 果都 不一 样， 理也 没有 Ｔ 而 机
完全 弄清 楚。 为 了克服 肖特基 势 垒人们 又考 虑采 用隧 道效 应 。 ２ ０ 年 ， Ｚ ｕ等通 过 ０１ ｈ Ｆ 膜与 Ｇ Ａ 膜之 间的 隧道 效应， 自旋 电子注入 到半 导体 中， 过 电子发 光 的 ｅ ａｓ 把 通
结语
巨磁 电阻 （ｉｎ ａ —ｅ ｏｅ ｉ ｔｎｅ Ｇ Ｒ 的发 现是 物理学 中的 一个全 Ｇ ａ ｔＭ ｇｎ ｔｒ ｓ ｓａ ｃ， Ｍ） 新 效应和 突 破 巨磁 电阻效 应 的发 现， 自旋 电子学 发展 史 上 的里程 碑 。它基 是 于 自旋 相关 导 电， 电阻 与传 导 电子的 自旋 方 向有关 。微 弱 磁场 可引 起纳 米 多 层膜 的 电阻 发生 巨大变 化 ］ 。 １ ８ 年， 国的Ｇ ｕ ｂ ｒ 等人 在研 究薄膜 中 自旋 波 的光散射 时， ９６ 德 ｒｎ ｅｇ 发现 随着 ｃ ｒ的厚 度 改变， 中两个 Ｆ 层存 在反 铁磁 耦合 。随后在 法 国工作 的 Ｂ ｉ ｉｈ等 ｅ ａｂｃ 人用 分子 束 外延 的方 法制 备 了多层 膜并 研究 其 电阻特 性 。当 ｃ ｒ的厚度 为 ０ ． ９ ｍ 他 们发 现在温 度 下， ｎ 时， 薄膜的 电阻值 随 外加磁 场 的增加 而减 小， 当外磁 场 大于 个特 斯 拉后 ， 电阻值 几 乎只 有原 来 未加 磁场 时 的一 半 。 其 ］
理 由相信 ， 随着对 电子 自旋 特性 的理解 和操 纵， 将会给 人类 带来 更 为灿烂 的 明
天 。
参考 文献 ：
［］ 翟宏 如， 亚． 介 ２ ０ １ 翟 浅 ０ ７年诺 贝尔物 理 学奖与 自旋 电子学 ［］ 科 技 Ｊ．
导报 ， ０ ７ ２ （ ４ ： ７ １ ． ２ ０ ， ５ ２ ） １ ～ ９
２ ０ ０１ ．
教 育 出版 社． ０ ０ ２１． ［ ］ 何 兆武 ８ 历史 与历 史 学 ［ ］ 湖 北 ： Ｍ． 湖北 长江 出版 集 团 、湖北 人 民 出
版 社． ０ ７ ２０ ．
［ ］ 中 国史学 会秘 书 处、 陕西师 范大 学历 史文 化 学院． ６ 中国历 史 学研 究 现状 和 发展趋 势 ［］ 北京 ： 国社会科 学 出版社 ．０ ６ Ｍ． 中 ２０ ． ［］ 陈宝 云． ７ 学术与 中 国 ：史 地学 报》及 其 学人 群研 究 ［ ］ 安徽 ： 《 Ｍ． 安徽
制 。
利用 电子 的荷 电性， 人类在 半导 体芯 片上创 造 了今天辉 煌 的信息 时代 ： 有
这 种磁 电阻效应 可 以用 自旋相 关 散射 的双通 道模 型 来解释 ［ 见 图 １ 。 ３ ］（ ） 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， 设 当 自旋 假
取 向与 铁磁层 的磁 化方 向相 同时， 电子所受 到的 散射较小 ， 相应 的 电阻比较 小， 而 另一种 自旋 取 向的 电子所 受到 的散射 较大 ， 相应 的 电阻比较 大 。那 么， 多 在 层膜 中， 当存 在 反铁磁 耦合 时， 相邻 Ｆ 层 的磁 化方 向是 反平 行 的， ｅ 这样 两个 自 旋取 向 的 电子所 受到 的散 射 都较 大， 以系统 处于 高 电阻状 态 。 当外磁 场较 所 大时 ， 有Ｆ 层 的磁化 方 向将转 到外 场的方 向， 时有一 种 自旋取 向的 电子所 所 ｅ 这 受到散 射 很小， 另一种 电子所 受到 的散射 很大， 统总 电阻 可以看 成这 两种 而 系 电子 电 阻的 并联 ， 而系 统处 于低 电阻状 态 。由于 多层 膜 中的这 种 磁 电阻效 因
教 育时空
●Ｉ
自旋 电子学 的研究现 状
刘 治伟 王 可 朱晓 宇
徐 州 ２ １ １） Ｉ ２ １６ （ 中国矿业 大 学安全 工程 学院 ［ 摘 要］自旋 电子学 主要研 究 电子 自旋在 固 体物 理中 的作用 ， 一 门结合磁 学与 微 电子 学的 新兴交 叉学 科 。本文 简单 介绍 了 自旋 电子学 的概念 及其 内容 是 综 述 了 自旋 电子 学 目前 的 研究 ， 尤其 是 半 导体 自旋 电子 学 。最后 对 自旋 电子器 件 的应 用 进行 了展 望 。 ［ 关键 词］ 自旋 电子学 巨磁 电阻 效应 隧 道磁 电阻 效应 自旋霍 尔效 应 半 导体 应用 中 图分类 号 ：４ ０８ 文 献标 识码 ： Ａ 文章编 号 ：０ ９９ ４ （０ １ ２— １３ ０ １０ — １Ｘ２ １） ８ ０９ — １
操 作 和检 测 ， 为人 们 最 关注 的问题 。 成 最初 人们企 图用铁 磁金 属与半 导体材料 直接欧 姆接触 ， 把极化 自旋 流注 入
到 半导 体材 料 中去， 是 由于 Nhomakorabea特 基 势垒太 高， 入效 率极低 。为 了克服 肖特 但 注
［］ 郭永胜 等 ． ４ 自然地 理学 原理 ［］ 北 京 ： Ｍ． 科学 出版 社． ０ ７ ２０． ［］ ＪＪ Ｌ ｗ Ｍ Ｊ ｃＷ ｌｅ ． 四纪环境 演变 ［］北 京 ： 学 出版 社． ５ ． ．ｏ ｅ・ ． ． ．ａ ｋ ｒ 第 Ｍ． 科
Ｆ 的 ＴＲ ， Ｍ Ｍ 值 引起 人们 极大 兴趣 。 ２０ 年 ，ａ ａ ｏｃ ｉ ０ ４ Ｙ ｍ ｎｕ ｈ 等用 做成 特殊 设计 的 结 构， 自旋 极化 电流驱 动磁 畴壁， 制磁化 强度 反转， 用 控 构成 磁信 息存 储 器件 。
遗 憾 的是， 的 居里温 度 为 ｌＯ ， 使用温 度太 低， 温下 不能 用， １Ｋ 能 室 因此 人们 开 始努 力 寻找室 温 下的稀 磁半 导体 。人们 尝试 了在各 种氧 化物 半导 体 中掺杂 磁
万方数据
科技 博览
Ｉ １３ ９
自旋电子学的研究现状
作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 刘治伟， 王可， 朱晓宇 中国矿业大学安全工程学院,徐州,221116 中国科技博览 China Science and Technology Review 2011(28)
本文链接：/Periodical_zgbzkjbl201128181.aspx
基 势垒 ， 只有 两个 办 法 ： 找磁 性半 导体 材 料或 利用 隧 道效 应 寻
２ ０ 年 。 ｈ ｂ 等利用 Ｍ ５ ５ ００ Ｃ ｉａ ｎ ． ％的Ｇ Ａ 稀 磁半 导体 和作绝 缘层 的三 明 治结 ａｓ
构 的隧 道结 ， 获得磁 电阻 Ｔ Ｒ ２Ｋ温度 下 为 ５ ５ ， 里温 度 为 １Ｏ 。 ２０ Ｍ在 ０ ．％ 居 １Ｋ ０１ 年 ，Ｔ ｎ ｋ 等在 隧道 结中获 得 Ｔ Ｒ ａａａ Ｍ 值为 ７％ 超过 了氧 化铝 为绝 缘层 的 Ｆ／ ／ ０， Ｍ Ｉ
应 很大 ， 比一 般 的铁磁 金属 的各 向异 性磁 电阻 大 １ 数 量级， 以人 们把 这种 个 所
效应 叫 做 巨磁 电阻 效 应 。
３半 导 体 自旗 电予 学” 电子 同 时具 有 电荷 和 自旋 两种属 性， 电子 的 电荷 属性在 半导体 材料 中获得
极 大 的应 用， 推动 了 电子 技术 、计 算机 技术 和信 息 技术 的发 展 。使 电子 的 自 旋 特性 在 半 导体 中 获得 应 用， 半 导体 器件 中实现 自旋极 化 、注 入 、传送 、 在
积极探 索 新 型 自旋 电子学 功能 材料 ， 以新材 料为 重 点开展 广 泛 的磁特 并 性 、 电子 自旋 、 磁 电 、磁 热 、磁 光 效 应 和 自旋 量 子 调 控 等 方 面 的应 用 基 础研 究，探索 微 观 电子 结 构 、 自旋 相关 的微 磁 结构 、 交 换耦 合 、 表面 和 界 面 效应 等对 材料 功能 特性 的 影响 ， 以引领 新 型 自旋 电子学 原理 型 器件 的研 可
１自旋 电 子学 众所 周知 ， 电子 不仅 带有质 量和 基本 电荷 ， 还带有 内禀 自旋 。在 传统 的微 电子 学中， 电子 电荷 作为 能量和信 息传输 的载体 ， 者说， 将 或 它只利 用 了电子 电 荷 的运动 ， 不考虑 其 自旋状 态 。随 着纳米 科 学技术 的发 展， 学家 发现 当半 而 科 导 体组件 减 小到纳 米 尺寸后 ， 多 宏观特 性将 丧失， 许 电子 自旋 的作 用将 凸显 出 来 自旋 电子 学 正 是 在 这 样 的 背 景 下产 生 的 。
２ ０ 年 １ 月瑞典 皇 家科学 院宣 布， 该年度 诺 贝尔物 理学 奖授 予在 １８ ０７ ０ 将 ９８ 年 分别独 立 发现纳 米 多层膜 中 巨磁 电阻的法 国 Ａ ｂ ｒ ｅ ｔ教授 和德 国 Ｐ — ｌ ｅ ｔＦ ｒ ｅ