自旋電子學
關注創建者：我hi小白 創建時間：2018-09-25
自旋電子學的實例教程
【引言】
自旋電子學是基于自旋輸運的新興科學技術。所謂自旋其實是電子的內稟角動量，與質量、電荷一樣是電子自身固有性質。電子自旋輸運被認為與傳統電子器件中電子電荷輸運相類似，也可作為載體用于信息傳輸，根據自旋轉移這一特性設計開發的新型電子器件可有望作為現有電子器件的升級替代產品。類似于電流，通過自旋霍爾效應電子發生特定的偏轉，從而產生自旋流（Spin current）。自旋流作為自旋信息傳輸的核心，是發展基于自旋計算器件的關鍵。近年來，研究人員發現在鐵磁絕緣體中可通過溫度梯度驅動自旋的定向運動，從而產生自旋流及其長程輸運（Long-distance transport）現象。相較于鐵磁絕緣體，反鐵磁性有序材料具有零凈磁矩的特點，是應用于自旋電子學器件的理想材料。然而，反鐵磁體中自旋輸運現象的直接觀測目前只限于幾個納米的范圍，嚴重制約了相關材料的發展。
【成果簡介】
近日，德國美因茨大學的R. Lebrun以及M. Klaui（共同通訊作者）等人在反鐵磁絕緣體赤鐵礦（α-Fe2O3）單晶中利用自旋霍爾效應展示了自旋流的長程傳播行為。首先研究人員將電流通過赤鐵礦單晶上的鉑絲，一方面可以引發自旋霍爾效應產生橫向自旋流，驅動自旋在鉑-赤鐵礦界面累積，這一累積富集過程能夠進一步產生帶有凈角動量的自旋流。另一方面，通過鉑絲的電流還能使得鉑絲產生焦耳熱引發橫向溫度梯度變化，從而可根據自旋塞貝克效應產生自旋流。這兩種自旋流及其自旋電壓最終共同構成了非本地電壓（non-local voltage），可通過逆自旋霍爾效應進行檢測。基于以上策略，研究人員通過計算測量發現赤鐵礦這一簡單反鐵磁絕緣體傳輸自旋信息的距離可達到微米級別，與復雜鐵磁體一樣高效。
展開 這項研究成為自旋電子學研究的又一重要進展，極具應用前景。
背景
自旋（Spin），是粒子的量子力學特性。Spintronics，即“自旋電子學 ” ，是一項旨在操控電子自旋的前沿科技。傳統的電子器件，往往都是利用電荷運動形成的電流，傳輸和處理相關信息數據。然而，自旋電子學則利用了電子的自旋或磁矩作為信息載體。
自旋電子學的相關應用包括：硬盤磁頭、磁性隨機內存、自旋場發射晶體管、自旋發光二極管等。相比于傳統的微電子器件，自旋電子器件具有存儲密度高、能耗低、響應快等優勢。
自旋電子學既可以用于數據存儲領域，也可以用于數據處理領域。在數據處理方面，先請大家看兩個例子：
1）美國德克薩斯大學達拉斯分校科學家采用自旋電子學原理，設計出由石墨烯納米帶和碳納米管構成的全碳自旋邏輯器件。
（圖片來源于:參考資料【3】）
2）荷蘭格羅寧根大學的物理學家開發出的基于磁振子的自旋晶體管。
（圖片來源：L. Cornelissen）
數據存儲方面，例如：新加坡國立大學發明的新型超薄多層膜，它能夠有效利用手型自旋結構單元“斯格明子”進行數據存儲。具有磁性斯格明子結構的材料，有望成為構建未來高密度、高速度、低能耗磁自旋存儲器件的理想候選材料。
（圖片來源于：參考資料【4】）
因此，我們可以想象，未來自旋電子學有望將數據的存儲和處理功能集成于同一器件，避免了數據存儲器和處理器之間來回移動，從而提升計算機的整體效率，帶來更快速、更節能的計算機。
創新
今天，筆者要為大家介紹自旋電子學研究的又一重要進展。近日，意大利國際高等研究院（SISSA）科研團隊研究了一種微小的石墨烯納米薄片，對于納米電子學領域的應用來說，這將是一種非常有前途的材料。這項研究的參與者最近在《 納米快報（Nano Letters）》上發表了相關論文。
展開 這些材料揭示了新穎的光學和電子學特性。這些材料堆疊的異質結構含有更多有趣的特性。在過去的幾年中，拉曼光譜和電子傳輸測量已經在vdW磁體上進行。最近，研究人員在兩種絕緣vdW磁性材料Cr2Ge2Te6和CrI3以及基于vdW鐵磁異質結構的新型器件中成功發現了二維鐵磁性。這項發現有助于設計和制造許多基于vdW磁體的器件。例如，將vdW鐵磁金屬材料與具有強自旋-軌道相互作用的vdW金屬堆疊，可以用于設計制造自旋-軌道扭矩器件。然而，為了開發鐵磁vdW材料作為基于vdW異質結構的自旋電子學的基礎材料，具有硬磁相和高剩磁與飽和磁化（MR/MS）比的鐵磁vdW金屬是必不可少的。
本文研究了單晶FGT納米薄片的異常霍爾效應，發現它們的磁性高度依賴于厚度。當厚度減小到小于200nm，形成硬磁相具有大的矯頑力和接近方形的滯后回線。本文提出了一個模型來描述FGT薄片的硬磁行為。這個模型適用于具有強垂直各向異性和方形磁環的其他vdW鐵磁薄膜或納米薄片。
【成果簡介】
二維vdW材料是目前比較熱門的研究領域，多項相關研究表明其具有出色的光學和電學特性。然而，目前有關vdW材料的磁性和其在自旋電子學應用的科研成果仍比較匱乏。近日，澳大利亞皇家墨爾本理工大學的Wang Lan（通訊作者）和韓國成均館大學的Changgu Lee（通訊作者）等人研究了不同厚度的單晶金屬Fe3GeTe2納米片的反常霍爾效應測量。這些納米薄片具有接近方形磁環的單一硬磁相，較大的矯頑力（在2K時，高達550mT），接近200K的居里溫度和極強的垂直磁各向異性。通過臨界性分析，Fe3GeTe2中vdW原子層之間的耦合范圍約為5個vdW原子層。Fe3GeTe2的磁性能突出了其整合到vdW磁異質結構器件中的潛力，為基于這些器件的自旋電子學研究和應用鋪平了道路。
展開 這一令人興奮的發現為1/f2噪聲光譜在磁性半導體中的應用鋪平了道路，并為自旋電子學提供了磁開關能力。
李教授解釋說:“這是觀察磁性半導體中大電阻波動的雙穩態磁態的第一步，并通過自旋電子學中簡單的電壓極性提供1/f2噪聲的磁開關能力。”
這項工作是通過與淑明女子大學（Sookmyung Women's University）的JOO Min-Kyu和哈佛大學的KIM Philip合作的跨學科研究完成的。
信息源于：miragenews
文章來源21dB聲學人
這類材料由于其獨特的磁光特性，通過將磁性引入半導體納米晶體，在自旋電子學領域具有巨大的潛力。具有開殼層的磁性摻雜原子與非磁性半導體的結合導致局域不成對電子自旋與弛豫光生電子-空穴對(激子)耦合，這被稱為sp - d交換相互作用( s-d和p-d相互作用分別表示摻雜離子與電子和空穴的耦合)。
圖3. 稀磁半導體Zeeman分裂的產生機理
a) 通常，非磁性半導體的電子能量與自旋方向無關。也就是說，具有自旋向上或自旋向下狀態的電子是無法區分的；
b) 相反，磁性半導體的s和p電子受到磁性離子d電子的影響，導致導帶和價帶之間的Zeeman分裂；
2.3. 揭示半導體團簇的精細電子結構
摻雜的具有magic-size的納米團簇(尺寸介于量子點和分子之間的具有一定數量的原子組成的半導體團簇)的制備已經成為一個新興的課題，因為它們具有獨特的磁光功能，有可能實現solotronic器件在高紫外區域的應用。結合MCD光譜和UV-vis光譜可以對半導體納米團簇的精細結構進行區分。
圖4. Mn2+摻雜(CdSe)13簇表征
a) 在2k的不同磁場下，4% Mn2+摻雜(CdSe)13簇的吸收(頂部)和MCD (底部)光譜。吸收光譜中的綠色、紫色和黑色虛線分別代表實驗結果、磁光活性和非活性響應。
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該成果可為磁信息存儲、自旋電子學等領域的拓撲光子器件研發，提供可靠的仿真支撐與技術參考。
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這一令人興奮的發現為1/f2噪聲光譜在磁性半導體中的應用鋪平了道路，并為自旋電子學提供了磁開關能力。
李教授解釋說:“這是觀察磁性半導體中大電阻波動的雙穩態磁態的第一步，并通過自旋電子學中簡單的電壓極性提供1/f2噪聲的磁開關能力。”
北京航空航天大學長期從事自旋電子學、新型信息器件、非易失存儲器等領域的研究。復旦大學長期從事集成電路設計和設計自動化方向的研究工作，開發了基于人工智能技術的模擬集成電路自動化設計工具，實現了電路設計從“人工密集型”到“機器密集型”的跨越。浙江大學圍繞二維材料、光電器件、類腦人工智能器件與芯片等前沿交叉方向開展了長期的研究工作。
--應用領域--
作為一種寬帶隙半導體材料，金剛石集力學、電學、熱學、聲學、光學、耐蝕等優異性能于一身，是目前最有發展前途的第三代半導體材料之一，在高溫大功率電力電子器件、微波功率器件、深紫外光和高能粒子探測器、深紫外發光器件、單光子光源、生物和化學傳感器、微機電（MEMS）和納機電（NEMS）器件、自旋電子學等眾多領域有著極大的應用潛力。
其中，“開殼”的自由基半導體分子是一類特殊的有機化合物；它們的分子結構中含有未成對的電子，因而具有獨特的物理化學性質，在有機光電、磁學、儲能、自旋電子學、生物診療和光熱轉換等領域有良好的應用潛力。
實際上，基于OLED的CPEL （圓偏振電致發光，Circularly Polarized Electro-Luminescence）因其可以直接高效地產生圓偏振光而一直受到人們的關注，這種技術在3D顯示、光學數據存儲和光學自旋電子學等應用領域具有廣闊的潛力。
、高密度和高集成度提出了更高的要求，因此針對材料磁電性能調控機制的研究與相關器件的設計，成為推進自旋電子學器件多功能化的關鍵。
近年來，反鐵磁自旋電子學發展迅速，是磁性材料研究的前沿領域之一。
【研究背景】
復合功能氧化物材料對于新材料系統的發現，以及在促進超材料、自旋電子學、多鐵性和量子系統的物理性質控制和多功能性等新興技術發展方面引起了廣泛的研究興趣。已經證明的幾種具有多層或納米線形態的兩相納米復合材料系統用于實現增強的物理特性，包括鐵電性、鐵磁性、磁阻，以及諸如光學磁性、負折射和雙曲線色散等奇特光學性質。
在“自旋電子學”技術下，MESO有望在未來取代目前廣泛使用的CMOS晶體管，“超級芯片”將誕生，可以說，MESO有望為摩爾定律“再續一波”。
