自旋电子学研究进展
稀土材料中的磁性与自旋电子学研究
稀土材料中的磁性与自旋电子学研究稀土材料一直以来都是材料科学中备受关注的领域之一。
它们具有独特的磁性和电子结构，对于磁性材料与自旋电子学的研究有着重要的意义。
本文将探讨稀土材料中的磁性和自旋电子学相关的研究进展。
一、稀土材料的基本特性稀土元素指的是周期表中的镧系元素，包括镧、铈、钕、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥和镧后的混合元素。
这些元素在材料中表现出特殊的电子结构和磁性质，使得稀土材料在磁性材料和自旋电子学研究中具有独特的地位。
稀土材料的磁性来源于它们特殊的电子排布和自旋-轨道耦合效应。
在稀土离子中，电子排布在不同的能级上，形成了复杂的能带结构。
这些特殊的电子结构导致了稀土材料的磁性行为的复杂性。
稀土材料中的自旋-轨道耦合效应是其磁性来源的关键因素之一。
自旋-轨道耦合是指电子自旋与轨道运动之间的相互作用。
在稀土材料中，由于电子轨道运动不同，它们的自旋-轨道耦合强度也不同。
这种自旋-轨道耦合可以改变电子的自旋方向和轨道分布，从而影响到磁性行为。
二、稀土材料中的磁性调控稀土材料中的磁性调控是相对较为复杂的过程。
磁性调控可以通过控制外界条件（如温度、压力等）、材料组成和微结构等方面来实现。
1. 温度调控在稀土材料中，磁性随温度的变化呈现出不同的行为。
通过改变温度可以调控材料的相变和磁性转变。
例如，铁磁性材料在一定温度下会发生顺磁相变或反铁磁相变。
2. 压力调控稀土材料的磁性行为也可以通过施加压力进行调控。
压力可以改变稀土材料的晶格结构和能带结构，从而影响到磁性行为。
一些稀土材料在高压下表现出磁性相变或者多铁性。
3. 材料组成和微结构调控稀土材料的磁性行为还可以通过调控材料的组成和微结构来实现。
例如，通过引入不同的掺杂元素，改变稀土材料的组分，可以调控材料的磁性。
此外，通过控制稀土材料的晶粒大小和界面结构等微结构参数，也可以实现磁性的调控。
三、稀土材料中的自旋电子学研究自旋电子学是利用电子的自旋进行信息处理和存储的一门新兴学科。
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。
作为单分子磁体的分子自旋电子研究进展
单分子磁体与分子自旋电子材料Single-Molecule Magnets and Materials of MolecularSpintronics姜国民陈婷婷史传国江国庆*石玉军*南通大学化学化工学院摘要：近年来，自旋电子和分子电子两个新颖学科在电子学研究中取得了革命性的进展。
这两个领域的基础桥梁是分子磁材料，尤其是单分子磁体。
分子自旋电子是在分子水平上对电子自旋和电荷进行研究，电子装置中包括一个或多个磁性分子，如分子自旋晶体管、分子自旋电子管和分子多量子点装置等。
建立在分子水平上的自旋电子磁材料，在信息储存和量子计算等方面上具有潜在的应用价值。
本文结合自己在这方面的研究和理解，介绍了作为磁性分子的单分子磁体在自旋电子器件研究中的最新成果。
关键词:自旋电子单分子磁体磁性质1、引言在基础和应用研究中，电子和自旋自由度的研究和开发是很有前途的领域[1]。
近十年来，自旋电子学科从基础物理到技术装置已经有了很大的进展[2]。
人们开拓了自旋电子体系这样的事实：电流是由向上和向下两个方向的电子流动产生的，电子的自旋状态实现了信息的编码和磁性材料之间的不同作用。
在没有外场和低能量的条件下，通过自旋的持久性进行信息编码的优势很小。
新的努力方向是直接得到具有持久的量子相干自旋电子装置，这一装置已经从金属、半导体[2,3]到有机材料[4]方面进行了基础研究。
后者在实际中得到了应用，如有机光放射二极管和有机晶体管的研制使电子装置达到了分子水平[5]。
分子自旋电子是用一个或几个磁性分子建立的分子装置[6]。
作为磁性分子的单分子磁体在低温时磁化强度的弛豫时间非常长（2K以下，达到数年时间[7]）。
其在高密度信息储存和量子计算方面的优势在于，在分子水平上兼有块状磁材料的性质和长相干时间[8]。
建立在磁学行为的单分子磁体具有丰富的物理效应，如负微分电导特性和完全的电流抑制[9]，这些性质可用在电极上。
此外，还可将一些特殊的功能（如作为光和电场的开关等）直接整合到分子水平上。
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)
半导体自旋电子学的最新研究进展
１８年 ，在磁 性 多 层膜 中 首 次发 现 了 巨磁 阻 效应 ［］ ９８ １ ，特 别 是 １９年 ９５ 在 铁磁 隧道 结材料 中发现 了室温 隧 穿磁 电阻效 应 ［］ ２ ，人 们对 电子 自旋 自由 度 的研 究 势如 破竹 。现在 研 究 电子 自旋 的控 制与 输 运 已经成 为 凝聚 态 物理 研 究 的热 点之 一 ，并 由此 发展 成 一 门新 的交 叉学 科— — 自旋 电子学 ， 也被 称 为磁 电子学 。 目前 已经 研制 成 功 的 自旋 电子器 件 ： 巨磁 电阻 、 自旋 阀、 磁 隧道 结 等 ，都 是基 于铁 磁 金属 材料 ， 与传 统 的 电子器 件相 比， 自旋 电子
【 新 技术产 业发 展 】 ＿ 高 蠢一
半 导 体 自旋 电子 学 的最 新 研 究 进 展
张家鑫 １ 许丽萍 １ 王忠斌 １ 范石伟２
（． １中北大学 理学硫物理系 西 太原 ００５； ． 蒙古科技大学 材料 山 ３０１ ２内 与冶金学院 内 蒙古 包头 ０４１） １０ ０
摘
要 ： 自 电子学起源 于巨磁阻效 应 （ Ｍ ）， 目前 已经成为凝聚 态物理学领 域的研究热 点，其中半 导体 自旋 电子学 是 自旋 电子学 中人们所关注 的一个重要 旋 ＧＲ
器 件 的集 成制 造和 与传 统 微 电子 器件 的一 体 化集 成 制造 。 因此 人们 认 为半 导体 是研 究 自旋 电子 器件 集成 化 最好 的材 料 ，于 是 就形 成 了今 天 的半 导体 自旋 电子学 ， 为当 今物 理领域 研 究的热 点 。然 而 ， 目前 ，对 半导体 自旋 电 成 子 的研 究 还处 于理 论和 实 验 阶段 ，主 要研 究 基本 问题 是 如何 实 现半 导 体 中 电子 自旋 的极 化注 入 、检 测 、输 运 以及 自旋 流 的产 生 。本 文就 半导 体 自旋 电子学 的研 究进展 作 一个简 单 的论述 。 １自旋 电子 的注入
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。
自旋电子学中的磁化动力学和自旋输运
自旋电子学中的磁化动力学和自旋输运自旋电子学是一门研究自旋相关现象和应用的领域，它在信息存储、计算和传输等领域有着重要的潜力。
本文将重点讨论自旋电子学中的磁化动力学和自旋输运的相关知识和研究进展。
磁化动力学是研究磁体内磁矩随时间变化的学科。
在自旋电子学中，磁矩的动力学行为对于理解自旋输运现象至关重要。
在低温下，自旋输运通常由两种机制驱动：热势力和外部磁场。
热势力来源于磁体内部的热涨落，它可以引起磁矩的随机热涨落，从而影响自旋输运的行为。
外部磁场则可以通过改变磁场强度和方向，来调控磁矩的动力学行为。
磁矩的动力学行为可以通过自旋扭矩方程来描述。
自旋扭矩方程是研究自旋系统演化的基本方程，它描述了磁矩在外部扰动下的动力学行为。
一般来说，磁矩的动力学行为可以通过拉克斯刘维尔方程来描述，它是自旋扭矩方程的一种特殊形式。
拉克斯刘维尔方程可以描述自旋系统的旋转、湮灭和再生等过程，从而揭示了自旋输运的基本机制。
自旋输运是指电子的自旋在晶格中传输的过程。
自旋输运可以通过两种方式实现：一是通过自旋轨道耦合实现的自旋霍尔效应，二是通过自旋弛豫实现的自旋泵效应。
自旋霍尔效应是一种将自旋极化电荷转化为自旋极化电流的效应，它可以实现自旋电子器件的控制。
自旋泵效应则是一种将自旋极化从磁体中传输到非磁性材料中的效应，它可以实现自旋电子的远程传输。
自旋输运在信息存储和计算中有着广泛的应用。
在数据存储方面，自旋输运技术可以实现高密度的磁性存储器，提高数据存储密度和读写速度。
在信息传输方面，自旋输运技术可以实现低功耗的自旋电子器件，提高信息传输效率和速度。
此外，自旋输运技术还可以实现自旋存储器、自旋逻辑门和自旋滤波器等高性能的自旋电子器件。
近年来，自旋电子学在理论和实验研究中取得了许多重要的进展。
研究人员通过利用弛豫和湮灭效应，成功地实现了自旋泵效应和自旋功效应等重要的自旋输运现象。
此外，研究人员还通过改变材料结构和界面特性，来调控自旋输运的性能。
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自旋电子学研究进展
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#$$"($)(#’ 收稿， #$$"($%("要： 自旋电子学是上世纪 *$ 年代以来飞速发展起来的新兴学科。与传统的半导体电子器件相比， 自旋电 子器件具有非挥发性、 低功耗和高集成度等优点。电子学、 光学和磁学的融合发展更有望产生出自旋场效应晶 体管、 自旋发光二极管、 自旋共振隧道器件、 调制器、 编码器、 解码器及用于量子计算、 量子通 +,- 频率光学开关、 信等装置的新型器件， 从而触发一场信息技术革命。文中介绍了自旋电子学的若干最新研究进展。 关键词： 自旋电子学；巨磁电阻；稀磁半导体；自旋相关输运 中图分类号： +."$! 文献标识码： / 文章编号： （#$$)） !$$$("’!* $!($$!($0
3*"",? #4(",:.=,;0;:4"<, .> +, C ’?& M1 C +, 4: =..# :,#8,=4:*=,
“磁 隧 道 结 & 6$ 6 @ 磁 隧 道 结 的 巨 磁 电 阻 所 谓 （A4(",:0< 3*"",? B*"<:0.";， ” 是指由 “铁磁金属 A3B） 组成的三明治结构。其产 C 非磁绝缘体 C 铁磁金属” 生的 巨 磁 电 阻 效 应 也 称 隧 磁 电 阻 （ 3*"",? A4(",［!］ 效应。早在二十多年前 B*??0,=, 3AD） :.=,;0;:4"<,， 就研究了这种系统， 并指出其磁电阻效应来源于两 个铁磁层中自旋向上电子和自旋向下电子态密度
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冲等：自旋电子学研究进展
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尺寸一般小于 ! "#， 颗粒之间的距离在 $% "# 以 下， 小于体系中电子的平均自由程。 金属多层膜的 !"# 效应源于电子的自旋相关 散射。从本质上讲， 颗粒膜和多层膜没有什么差 别。电子在颗粒膜中输运时， 将受到磁性颗粒的体 散射和磁性颗粒的界面散射， 其原理示于图 &。目 前纳米颗粒膜的研究主要集中在两大材料体系： ’( 系和 )* 系。 ’( 系有 +,-’(， ).-’(， /0-’(， ).+,’(， /0).-’( 等； )* 系 有： +,-)*， ).-)*， ).+,-)*， /0).-)* 等。目前室温下 ).-’( 颗粒膜的 !"# 值 已达 1%2 ， 但由于纳米颗粒的超顺磁性， 颗粒膜的 饱和磁场超过 $3。这阻止了颗粒 !"# 材料的商 业应用。
$L2 。图 1 是其对应的磁 电 阻 曲 线。与 此 同 时， ［H N $$］ （ /0+, ） 磁隧 等 报 道 的 ).+, C ’?& M1 C ). A..9,=4 道结室温 $"# 高达 &&2 。目前所研究的磁隧道 结分为矫顽力差异型和钉扎型两大类。前面介绍 的是矫顽力差异型磁隧道结， 钉扎型磁隧道结是利 用反铁磁层的交换作用钉扎住一个铁磁层的磁化 强度， 而另一铁磁层的磁化强度可相对自由翻转。 如 O=A" C ).+, C ’?& M1 C ).+, 磁 隧 道 结， 其 室 温 $"#
电子不仅有质量， 有电荷， 还有两种不同的自 旋状态， 即自旋向上的状态和自旋向下的状态。随 着半导体工业兴起的计算机革命将人们控制电荷 的能力发挥得淋漓尽致， 用于信息处理的集成电 路、 高频和大功率器件是控制半导体中电子电荷的 结果。高容量信息存储器件— — —信息技术领域中 另一个重要分支如硬盘等则是利用了磁性材料中 电子的自旋。信息处理与信息存储可以说分别是 半导体与磁性材料到目前为止最为重要的功能之 一， 但长期以来两者基本上都是独立发展， 虽然有 人尝试结合两者的特性发展新一代的电子器件， 但 无论在基础研究和工业应用上， 磁性材料与半导体 的相互融合一直没有多大进展。但近几年来， 随着 电子器件的进一步小型化与亚微米甚至纳米技术 的发展， 一个跨越半导体和磁性材料的全新研究领 域已成雏形， 这个全新的领域称之为自旋电子学 。目前自旋电子学已 （"#$%&’(%$)* (’ "#$%+,-,)&’(%$)*） 在新材料的制备、 材料结构性质的观察和表征以及 对固体中电子自旋相互作用理论等方面进行了大 量的研究工作。 . / ! / . 自旋阀结构的巨磁电阻 虽然多层膜的 但由于达到 "#$ 最大值的饱和磁场值 "#$ 较大， 也较 高， 例如使 （ :( 9 :C ） ! 多 层 膜 的 "#$ 达 到 其饱和磁场要高达 != HI,， 所以单位磁场的 1E> ， 灵敏度并不高。要解决这个问题， 一方面可寻找饱 和磁场 ( " 低的材料组成， 另一方面有人提出了采
/0.),1-)：DE?5FG45?HI ?I = 5BJ K?IH?EL?5B J3?H3 KBMBL4EBK IEBBK?LN ?5 F3B !**$I O +3B =KM=5F=6BI 4P F3B IE?5FG45?H KBM?HBI J49LK QB 545M4L=F?L?FN， ?5HGB=IBK K=F= EG4HBII?56 IEBBK， KBHGB=IBK BLBHFG?H E4JBG H45( I9REF?45， =5K ?5HGB=IBK ?5FB6G=F?45 KB5I?F?BI H4RE=GBK J?F3 H45MB5F?45=L IBR?H45K9HF4G BLBHFG45?H KBM?HBI O SF ?I B5M?I?45BK F3=F F3B RBG6?56 4P BLBHFG45?HI， E34F45?HI， =5K R=65BF?HI J?LL 9LF?R=FBLN LB=K F4 5BJ IE?5(Q=IBK （ P?BLK BPPBHF FG=5I?IF4G） ， （ L?63F(BR?FF?56 K?4KB） ， R9LF?P95HF?45=L KBM?HBI I9H3 =I IE?5(T@+ IE?5(U@< IE?5 V+< （GBI45=5F F955BL?56 KBM?HB ） ， 4EF?H=L IJ?FH3BI 4EBG=F?56 =F FBG=3BGF- PGBW9B5HN， R4K9L=F4GI， B5H4KBGI， KB( H4KBGI， =5K W9=5F9R Q?FI P4G W9=5F9R H4RE9F=F?45 =5K H4RR95?H=F?45 =5K 6?MB G?IB F4 = GBM4L9F?45 P4G ?5P4G( R=F?45 FBH354L46N O +3B GBHB5F KBMBL4ERB5F 4P IE?5FG45?HI ?I ?5FG4K9HBK O 2"3 4%,5.：.&*(),%(*-.；6*1() ’16(")%,".*.)1(-"；5*$7)"5 ’16(")*- ."’*-%(57-)%,；.&*(85"&"(8 5"() ),1(.&%,) 99/::：#’$$
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