新颖半金属磁性薄膜的电子结构
磁性薄膜材料的制备与应用333333
摘要： (1)Abstract: (1)前言 (1)1磁性薄膜材料的基本特点与种类 (1)1.1常用薄膜材料的特点 (1)1.2磁性薄膜材料的基本特点 (2)1.3磁性薄膜材料的种类 (2)2磁性薄膜材料的制备方法 (3)2.1溅射法 (4)2.2真空蒸镀法 (4)2.3分子束外延法 (4)2.4化学沉积法 (4)2.5电沉积法 (5)3磁性薄膜材料的发展与开发 (5)3.1 磁性薄膜研究的发展 (5)3.2新型磁膜的开发 (6)4磁性薄膜材料的应用与市场 (7)参考文献 (8)摘要：本文对磁性薄膜材料的种类和特点进行了一番介绍，并对国内外近年来制备磁性薄膜的方法进行了较为系统的总结。
包括物理方法和化学方法制备磁性薄膜材料；对不同制备的方法的优点和缺点进行了讲述。
介绍了一些磁性薄膜材料在社会中的应用，以及对以后磁性薄膜的发展前景进行了展望。
关键词：磁性薄膜材料特点和种类制备方法应用Abstract In this paper, the types and characteristicsof magnetic thin film material has carried on the introduction, and for the preparation of magnetic thin films in recent years at home and abroad were summarized systematically. Including physical method and chemical method is the preparation of magnetic thin film materials; The advantages and disadvantages of different preparation methods for the story. Introduced some of the application of magnetic thin film material in society, as well as to the future prospects of the development of magnetic thin film is discussed.Key words: magnetic thin film material characteristics and species The preparation method、尸■、亠刖言随着电子系统向高集成度、高复杂性、轻小、高性能、多功能与高频方向发展，要求在更小的基片上集成更多的元器件。
Fe3N薄膜研究进展、制备及基本结构
学术研究2512017年8月下 第16期 总第268期1 引言在传统的电子学中,人们只关心电子的质量、电荷这两种属性,完全忽略了自旋这一内禀属性,而自旋电子学正是利用了电子自旋这一属性,从而产生了一门新的学科。
1988年,Fert和Grunberg两个科研小组分别独立地在人工纳米结构(铁/铬多层膜)中发现了高达50%的磁电阻效应,相较之前的各向异性磁电阻效应(A n i s o t r o p i c Magnetoresistance,AMR)高了近十倍,故命名为巨磁电阻效应(Giant Magnetoresistance,GMR)。
随后人们又在Fe/Ge/C o 纳米结构中发现了隧道磁电阻效应(T u n n e l i n g Magnetoresisitance,TMR)。
这些磁电阻效应的发现使得磁存储和磁记录材料发生了巨大的变革。
目前自旋电子学已经在新材料的制备、观察、表征等方面进行了大量的研究,并取得了巨大的进步。
2 铁氮化合物的结构自旋的注入、输运和检测是自旋电子学的三个基本研究方向。
而其中,自旋的注入是制备自旋电子器件首要解决的问题。
理论研究表明,T M R 效应的数值正比于铁磁性材料的自旋极化率。
自旋注入的方法之一就是通过铁磁性电极向半导体中进行自旋注入。
因此,铁磁性材料的研究成了自旋电子学一大热门研究对象。
而铁氮化合物又因其具有高的自旋极化率、高的饱和磁化强度等优点成为了自旋电子学的热点磁性材料之一。
铁氮化合物具有多种相结构,在不同的温度、氮含量下能生成具有不同相结构、性质的铁氮化合物,例如,α、α’、α’’、γ、γ’、γ’’、ε、ξ等,且其在一定条件下可以相互转换。
α相是具有体心立方(b c c )晶格结构,其晶格常数取决于氮含量,为0.2866～0.2877nm。
氮原子位于铁晶格八面体间隙中,在共析温度下,α相中氮的溶解度不高于0.11%,而当温度为室温时,氮的溶解度降低到0.004%。
CrSb的磁性能：第一性原理研究(中文文献翻译)
CrSb 的磁性能：第一性原理研究我们介绍了闪锌矿结构和NiAs 结构中的CrSb 的磁性能的第一性原理研究。
最后我们使用了局域自旋密度和广义梯度近似中的全电子全电势线性平面波方法。
给出了不同结构和相得各种物理量，诸如总磁矩和局部磁矩。
除此之外，通过计算内聚能，能带结构，态密度以及荷质比密度来对所研究的性质的进行详细分析。
CrSb 是闪锌矿结构中磁矩为3.000../B u f μ的半金属铁磁体。
在平衡体积下它的半金属能隙达到0.69eV 。
1. 引言最近de Groot et al.介绍了一类磁性材料，通过结合半导体技术和磁性能开启了磁电器件的发展之门。
这种spintronic 器件开发了自旋电子以及它们电荷的存储和传输的信息。
它们是半金属(HMs),即，在一个费米能级只出现一个自旋方向带隙的材料，而其它自旋方向具有金属特征。
因此期望从这些材料中得到100%自旋极化的传导电子。
已经使用将过渡金属掺杂到III-V 族或II-VI 族半导体或者从弱磁性半导体中(DMSs)中寻找这种可能的磁性材料。
其他可能性包括使用分子束外延从闪锌矿结构或纤锌矿结构中不断增长的二元化合物中寻找这种磁性材料。
在这些化合物中，CrSb 得到了特别的关注。
我们知道的CrSb 的一般结构是六角晶相(NiAs 型)，它在710K 的Neel 温度下是反铁磁性的。
最近，在闪锌矿结构中利用分子束外延方法在III-V 半导体上生成了CrSb 薄膜并且被证实在室温下可以显示铁磁行为。
一些理论研究已经处理了CrSb 的这个相。
Lui 用全电势线性缀加平面波(FP-LAPW)方法预测了闪锌矿结构中的一种HM CrSb 晶相，它可以达到0.774eV ，磁矩可达3.000../B u f μShirai 计算了ZB-CrSb 的Curie 温度并发现此温度等于1600K 。
在这篇文章中我们延续了以前的研究，使用代表技术发展水平的从头计算自洽FPLAPW 方法对ZB 和NiAs 结构的CrSb 的电子性质和磁性能提供一个更完整的理解。
磁性材料原理与应用
磁性材料原理与应用磁电阻/半金属简介及半金属CrO2在隧穿磁电阻中的应用磁电阻/半金属简介及半金属CrO2在隧穿磁电阻中的应用1988年,Baibich[1]发现(Fe/Cr)n多层膜的磁电阻效应比坡莫合金的磁电阻大一个数量级,并将此称为巨磁电阻效应(giantmagnetoresistance,GMR)；1993年和1994[2][3]年在钙钛矿锰氧化物中发现了庞磁电阻效应(colossal magnetoresistance, CMR)。
1975年Julliere在Fe/Ge/Co多层膜中发现隧穿磁电阻效应(tunnel magnetoresistance, TMR)[4]。
特别是1995年Miyazaki[5]等人在铁磁性隧道结材料中发现室温的高隧穿磁电阻效应以后,这种以铁磁层/势垒层/铁磁层三明治结构为核心的磁性隧道结(maonetictunneljunction,MTJ)材料以及其中自旋相关电子的隧穿输运性质,引起了学者们广泛的研究兴趣,极大地促进了磁电子学和自旋电子学的形成与发展。
本论文主要对磁电阻，半金属磁体材料，以及结合半金属CrO2的磁性隧道结做简要介绍。
一、磁电阻简介自旋电子学是以传统半导体电子学中的电子和空穴为基础，研究载流子自旋取向的一门新兴的电子学。
它是当今国际凝聚态物理和材料科学界关注的热点之一，也是小型化、快速化、高存储密度、高灵敏磁性器件的基础。
磁电阻效应(MR)是自旋电子器件的基础，它是磁场作用下材料电阻的相对变化，磁电阻公式为其中 ,R(0), R(H)为零场和外场作用下的材料电阻。
磁电阻效应主要分为正常磁电阻效应(OMR)、各向异性磁电阻效应(AMR)、巨磁电阻效应(GMR)、庞磁电阻效应(CMR)、隧道磁电阻效应(TMR)。
对于普通金属，电子的自旋是简并的，不存在净的磁矩，而在费米面附近的态密度对于自旋向上和向下是完全一样的，因而输运过程中电子流是自旋非极化的。
半金属材料课程设计原理
半金属材料课程设计原理一、介绍半金属材料是一种特殊的材料，具有金属和非金属两种性质的特点。
它的研究和应用涉及多个学科领域，包括材料科学、物理学、化学等。
本文将深入探讨半金属材料的基本原理以及在课程设计中的应用。
二、半金属材料的定义半金属材料，又称半导体材料，是指在一定条件下可以同时表现出金属和非金属的性质。
一般来说，半金属材料的导电性能介于导体和绝缘体之间。
它具有很高的电子迁移率和较小的能隙，使其既能导电，又能够表现出一些特殊的电学、磁学或光学性质。
三、半金属材料的结构与性质半金属材料的结构与性质密切相关。
一般来说，半金属材料具有以下特点： 1. 结构多样性：半金属材料的晶体结构可以是金属、半导体或非金属的，不同结构决定了其性质的差异。
2. 电子带结构：半金属材料的电子能带结构决定了其导电性。
通常来说，半金属材料的价带和导带部分存在重叠，形成带隙很小的能带结构。
3. 自旋极化：半金属材料的自旋极化效应使其能够表现出独特的磁学性质。
自旋极化主要取决于材料的晶体结构和电子结构等因素。
4. 光学性质：半金属材料在某些波长的光照射下，会产生特殊的光学效应，例如反射、透射等。
四、半金属材料的制备方法半金属材料的制备方法主要包括以下几种： 1. 激光热法：通过激光照射材料，使其表面温度升高，从而形成半金属结构。
2. 化学气相沉积法：利用化学气相沉积技术，在高温下使气相中的原子或分子在衬底上沉积形成薄膜。
3. 分子束外延法：通过利用分子束束流来沉积半金属材料。
4. 溅射法：利用离子轰击等方法将金属或化合物溅射到基底表面形成半金属材料。
五、半金属材料在课程设计中的应用半金属材料在课程设计中有着广泛的应用，下面以几个具体案例进行介绍： 1. 半金属薄膜的制备和分析：通过实验制备半金属薄膜，并利用相关的检测技术对其进行分析，探究半金属材料的制备和性质。
2. 磁性材料的研究：利用半金属材料的磁性性质，设计并制备新型的磁性材料，用于储存、传输和感应等方面的应用。
第六节 薄膜结构
表面结构
从热力学能量理论分析，薄膜为了使它的总能 量达到最低值，应该有最小的表面积，即应该成为 理想的平面状态。实际上这种薄膜是无法得到的。 因为在薄膜的沉积形成成长过程中，入射到基体表 面上的气相原子是无规律性的，所以薄膜表面都有 一定的粗糙度。假设入射气相原子沉积到基体之后 就在原处不动，形成的薄膜其厚度在各处室不均匀 的。若薄膜的平均厚度为d，它按无规则变量的泊松 几率分布，由此可得到膜厚的平均偏离值 d d 。薄 膜的表面积随着其厚度的平方根值而增大。
单晶结构 单晶薄膜是整个薄膜各部分结晶位向都相同的 晶体薄膜。制备单晶是一项特殊的技术，一般统称 为外延技术，所以以单晶膜有时又称为外延膜。制 备单晶膜可以用真空蒸镀、高频溅射、化学气相沉 积和分子束外延等方法。对于单晶薄膜的电子显微 镜观察发现，单晶膜也并非只是一个完整的晶粒， 而是尺寸为数微米、取向大致相同的晶粒的集合体。 在影响单晶膜形成的各个条件之中，最重要的是 基底物质的种类、基底温度、蒸镀速度和基底是否 有污染等等。
基底物质的影响可以用失配度m来表示。失配度m可 以表示为:
ba m a
其中，a为薄膜的晶格常数；b为基底的晶格常数。
当m=0时，相当于发生同质外延。失配度m只是表 示蒸镀物质和基底无视结晶类似性的一个指标。但 曾一度片面地认为，m越小就越容易引起外延。随着 研究的深入，已经发现，m大时也可产生外延。所以， m和外延的关系并不是很简单的。
非晶态结构薄膜在环境温度下是稳定的。它不 是具有不规则的网络结构，就是具有随机密堆积的 结构。可以认为，不规则的网络结构是两种互相贯 通的随机密堆积结构组成的，这些随机结构的特征 是存在着连续不断的、严格的缺乏长程有序性。用 衍射法研究时，这种结构在X射线衍射谱图中呈现很 宽的漫散射峰，在电子衍射图中则显示出很宽的弥 散形光环。 非晶态物质具有优良的物理、机械性能。近年 来，已制成了非晶态的磁性材料、非晶超导材料、 非晶半导体材料和非晶光电材料等等。非晶态薄膜 在现代科学技术的各领域中将发挥越来越大的作用。
半导体与半金属的能带结构
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半金属磁性材料
第24卷 第4期物 理 学 进 展Vol.24,No.4 2004年12月PRO GRESS IN PHYSICS Dec.,2004文章编号:1000Ο0542(2004)04Ο0381Ο17半金属磁性材料任尚坤1,2,张凤鸣1,都有为1(1.南京大学固体微结构国家实验室,南京210093;江苏省纳米技术重点实验室,南京210093;2.周口师范学院,河南周口466000)摘 要: 半金属材料的一个重要特征为具有高达100%的传导电子自旋极化率。
半金属磁性材料是一种具有极大的应用潜能的自旋电子学材料。
本文从半金属性的来源、材料的晶体结构、半金属的电子态和电磁特性等不同角度对半金属材料进行了系统分类。
对现已发现的几种半金属材料的基本性质和原子结构特征进行了综述。
分别对5种传导电子自旋极化率的测量方法进行了分析和讨论。
关键词:半金属;铁磁性;自旋极化率;自旋电子学中图分类号:TM27;O44;TQ58 文献标识码:A0 引言近年来,自旋电子学作为一门具有极大应用和商业潜能的新兴学科受到人们的普遍关注[1]。
自旋电子学利用电荷和自旋两种信息载体,结合当代微电子技术,将对新一代电子材料和电子产品产生重大影响。
早在80年代,荷兰Nijmegen大学的de Groot[2]等人对三元合金NiMnSb和PtMnSb等化合物进行计算时,发现了一种新型的能带结构,并称这类化合物为半金属(half-metallic)磁性体。
这类材料是一种新型的功能材料。
其新颖点在于具有两个不同的自旋子能带。
一种自旋取向的电子(设定为自旋向上的电子)的能带结构呈现金属性,即Fermi面处于导带中,具有金属的行为;而另一自旋取向的电子(设定为自旋向下的电子)呈现绝缘体性质或半导体性质,所以半金属材料是以两种自旋电子的行为不同(即金属性和非金属性)为特征的新型功能材料。
目前半导体自旋电子学技术上存在的一个关键性问题就是如何高效率地将极化电子注入半导体材料中。
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新穎半金屬磁性薄膜的電子結構文／黃迪靖摘要磁性薄膜的特性與應用一直是凝態物理研究的熱門課題，近年來發現的半金屬磁性薄膜即是一個例子，半金屬磁性物質的導電性完全決定於單一自旋方向的電子，它們具有磁矩量子化與零磁化率等特殊物理性質，這些奇異特性決定於其晶體結構與電子結構。
本文討論半金屬磁性薄膜的電子結構及同步輻射能譜研究。
一、前言磁性係一多體物理現象，源自於電子與電子之間的「互換作用」(exchange interaction)，在某一溫度下，電子與電子之間的互換作用導致磁性物質的磁矩呈有規則排列，磁性薄膜具有豐富的物理現象包含磁相變、磁異向性(magnetic anisotropy)、震盪式互換藕合(oscillatory exchange coupling) 及巨磁阻(giant magnetoresistence， GMR) 或龐磁阻(colossal magnetoresistence， CMR)等。
某些龐磁阻材料中，例如La1-x Sr x MnO3，它們的磁相變及磁阻變化與金屬－絕緣相變一起發生，而產生許多特殊凝態物理現象。
物質的物理特性決定於價電子在晶體(即有規則的原子排列)中行為，在動量空間中，沿著不同方向價電子的能量與晶體動量的關係決定所謂的電子能帶結構。
在佔有電子態中，最高的能量我們稱為費米能階E F(Fermi level)，如果我們將同一能量E，但不同動量的電子態數目相加，即可得到單位體積內的態密度(density of states)ρ(E)，從物質的電子能帶結構，我們可以了解它們的物理性質，例如物質的比熱和導電性皆與費米能階的態密度ρ(E F) 成正比。
磁性物質中，不同自旋方向的電子能帶結構並不相同，它們的電子能帶結構是自旋極化：電子自旋向上的態密度ρ↑(E)與電子自旋向下的態密度ρ↓(E)的形狀類似，但有一能量位移，此分開的能量稱為交換能量(exchange energy)，其大小與物質的磁矩大約成正比，藉由能帶理論計算，我們可以很容易地計算出典型磁性材料 Fe 的態密度ρ(E)與能量 E 的關係，如圖一所示，為了清楚地比較ρ↑(E)與向下的態密度ρ↓(E)，我們將ρ↑(E)與ρ↓(E)分別畫在x-軸上方及下方，即我們將自旋向上及向下的電子態密度沿著y-軸的正方向與負方向分別作圖，圖一很清楚地顯示在費米能階E F的自旋向上的態密度ρ↑(E)大於自旋向下的態密度ρ↓(E)，也就是說在費米能階的電子自旋極化並不是零。
然而在非磁性材料中，例如銅，自旋向上與向下的電子能帶結構完全相同，因此電子自旋向上的態密度ρ↑(E)與自旋向下的態密度ρ↓(E)的完全樣，如圖一所示。
二、單一自旋方導電與自旋磁矩的量子化在1951年Castelliz曾發現NiMnSb 化合物的磁矩是電子自旋磁矩的四倍，即4μB，”磁矩量子化”--物質的磁矩是電子自旋磁矩的整數倍--是一很特殊的物理現象，一般來說磁性材料的每一個原子或單位晶包的磁矩並不是電子自旋磁矩的整數倍，例如Fe金屬中每一個Fe的磁矩是2.2μB，Ni 金屬中每一個Ni的磁矩是0.6μB，在1983年荷蘭物理學家R. de Groot與他的研究夥伴[1]提出”半金屬導電”(half metallic)的概念後(註：half metal又譯為單自旋金屬[2])，我們才對磁矩量子化的現象有一個完整的圖像，藉由能帶理論計算，R. de Groot 與他的研究夥伴發現一種新型的材料，它們的導電性質決定於單一自旋方向的電子(例如自旋向上的電子)，而另一自旋方向的電子(例如自旋向下的電子)卻不參與物質的導電現象。
從能帶理論的觀點來看，半金屬材料中某一自旋方向的電子態密度是連續地橫跨過費米能階E F，因此對於此自旋方向的電子來說此物質是導體；對於另一自旋方向的電子，費米能階E F卻位於能隙(band gap)中，此自旋方向的電子並不導電，半金屬磁性物質具有100 %自旋極化、磁矩量子化與零磁化率等特殊物理性質[3]。
假設半金屬磁性物質的E F位於自旋向下的能隙而且自旋向下的電子完全佔據某些特定的能帶，由於每一能帶容納一個電子，因此在單位晶包內，自旋向下的電子數目N↓是整數，所以自旋向下的電子數目N↑＝N－N↓也是整數，其中單位晶包內價電子總數為N，因此單位晶包內的半金屬磁性物質的磁矩μ ＝(N↑- N↓) μB是電子磁矩的整數倍(註：每一電子具有1μB 的自旋磁矩)，即是半金屬磁性物質具有量子化的自旋磁矩，所以在半金屬材料中，在費米能階處某一自旋方向的電子態密度，如ρ↑(E F)，並不為零；而另一自旋方向的電子態密度，如ρ↓(E F)，卻是零。
如果我們定義電子自旋極化為P＝(N↑- N↓)/( (N↑+ N↓)，(1)半金屬磁性材料的費米階附近的電子自旋極為100 %或–100 %，即是它們的導電性質完全由單一自旋方向的電子決定。
這種完全自旋極化的特圖一： Fe與Cu的自旋解析態密度ρ(E)與能量 E 的關係，ρ↑(E)與ρ↓(E)分別畫在x-軸上方及下方。
圖二：CrO 2的rutile 晶體結構示意圖。
性可導致許多有趣的磁性、電性及光學性質。
三、半金屬的電子結構實例：單一元素磁性材料的能帶是連續的，不易形成單一自旋方向導電的現象。
與單一元素磁性材料比較，磁性氧化物或Heusler 合金具有較複雜的晶體結構，如spinel 結構、鈣鈦礦(perovskite)結構或雙鈣鈦礦(double perovskite)結構，電子結構也較複雜，它們的電子鍵結效應容易形成能隙，再加電子間自旋交互作用，容易形成半金屬現象。
(一) CrO 2最簡單的半金屬材料是CrO 2，它的晶體結構是長方體的rutile 結構，如圖二所示。
如果從離子鍵結觀點來看CrO 2的電子結構，每一個Cr 4+ 離子的3d 軌道有2個電子而且磁矩為2 B ，每個Cr 4+ 離子被六個O 2- 離子圍繞著，構成一個八面體，在這個八面體對稱的環境下，t 2g 對稱性的Cr 3d 電子(即d xy 、d yz 及d zx 軌道電子)的能量比e g 對稱性的Cr 3d 電子(即d x 2-y 2及d 3z 2-r 2軌道電子)的能量低，如圖三所示，由於CrO 2具有長方體的rutile 結構，t 2g 電子中d xy 軌道對電子的能量最低，因此兩個Cr 的3d 電子能皆是自旋向上，其中一個3d 電子具有d xy 軌道對稱性，其能量在費米能階下方1eV 附近，而另一個3d 電子則具有d xz+yz 軌道對稱性，在費米能階附近而且能帶寬度約2 eV ，與O 的2p 軌道混成在一起，基本上，Cr d xz+yz 軌道電子與O 2p 軌道電子負責CrO 2的導電，而且藉由它們與d xy 軌道電子的自旋互換作用，CrO 2是一鐵磁材料而且具有半金屬特性[4]，應用局域密度近似方法的能帶理論計算(local density approximation ， LDA)，並考慮兩個3d 電子再同一位子的庫倫作用能量 U (on-site Coulomb energy)，也就是所謂的LDA+U 的能帶計算，我們將CrO 2的自旋解析態密度與能量的關係圖畫在圖四中，Cr 3d 態密度與能量的關係圖很清楚地顯示d xy 軌道位於費米能階1eV 以下附近。
圖三：(上圖) CrO 2中Cr 4+與O 2-離所構成的八面體示意圖，(下圖) Cr 3d 電子在八面體對稱及rutile 結構環境下的能階示意圖。
(二)龐磁阻材料La 1-x Sr x MnO 3錳氧化物La 1-x Sr x MnO 3是典型的龐磁阻(CMR)材料[5]，在0.17 ≦ x ≦ 0.5的情況下，La 1-x Sr x MnO 3是鐵磁材料，磁相變溫度T C 在250 K 與350 K 間，La 1-x Sr x MnO 3的磁相變伴隨金屬-絕緣相變，溫度高於T C 時，La 1-x Sr x MnO 3是順磁非導體，但溫度低於T C 時La 1-x Sr x MnO 3是鐵磁導體，有趣的是，當溫度在T C 附近時，藉由外加磁場我們可以大幅度地改變La 1-x Sr x MnO 3的電阻值，即是所謂的龐磁阻(CMR)現象。
La 1-x Sr x MnO 3的晶體結構為鈣鈦礦(perovskite)結構，如圖五所示，其中Mn 位於立方體的中心，O 位於立方體的六個面心，La 或Sr 位於立方體的六個角，La 1-x Sr x MnO 3是掺雜錳氧化物，未掺雜的”母化合物”是LaMnO 3，若某一定比例的La 被Sr 取代，即可得到La 1-x Sr x MnO 3。
LaMnO 3中的Mn 3+ 離子有四個3d 價電子，其中三個是t 2g 電子、一個是e g 電子，當Mn 3+ 的e g 電子與鄰近Mn 3+ 的e g圖四：CrO 2的自旋解析態密度與能量的關係圖，圖中態密度結果是應用LDA+U 的能帶計算而得到，其中U = 2.5 eV 。
圖六：La 1-x Sr x MnO 3的價電子雙自旋互換作用原理示意圖。
電子具有反向的自旋方向時，e g 電子可以透過中間O 的2p 軌道在極短時間內，跳至鄰近Mn 3+ 的e g 軌道然後再跳回原來Mn 3+ 的e g 軌道，發生所謂的虛擬跳動(virtual hopping)，我們稱這種作用為超自旋互換作用(super exchange interaction) ，因此LaMnO 3是反鐵磁材料。
La 1-x Sr x MnO 3是混合價化合物，由於掺雜作用，若某一定比例的Mn 3+ 被Mn 4+ 取代，而Mn 4+ 有三個3d 價電子，全部具有t 2g 對稱性，並沒有e g 電子，在某一定掺雜範圍內，如果Mn 3+ 的e g 電子與鄰近Mn 4+ 的e g 電子具有同向的自旋方向時，e g 電子可以透過中間O 的2p 軌道跳至鄰近Mn 4+ 的e g 軌道，而降低整個系統的能量，因此La 1-x Sr x MnO 3是鐵磁材料而且也是導體，我們稱這種作用為雙自旋互換作用(double exchange interaction)，由於上述的雙自旋互換作用及鈣鈦礦晶體結構的形變，因此La 1-x Sr x MnO 3具有龐磁阻(CMR)與半金屬性質。
四、自旋解析電子能譜實驗研究在費米能階附近價電子具有100 %自旋極化是半金屬材料的特殊性質，自旋解析電子能譜實驗是研究這種現象與其相關電子結構的直接方法[6]。
我們可以藉由光電子能譜(photoemission)、電光子能譜(即反光電子能譜，inverse photoemission)及O 1s 軟X 光吸收能譜等實驗方法，探討半金屬磁性氧化物的電子結構。