自旋电子学的材料物理基础
物理学中的电子自旋
物理学中的电子自旋电子在物理学研究中扮演着重要的角色，而电子自旋则是电子的一个特殊属性，对于电子自旋的研究与应用具有重要意义。
本文将介绍电子自旋的概念、性质以及在实际应用中的重要作用。
一、电子自旋的概念与性质电子自旋是描述电子特性的量子数之一，表示电子围绕自身轴旋转的角动量。
电子自旋值可以取正值或负值，且其单位是普朗克常数的一半。
根据量子力学的理论，电子自旋只能取两个值，即“自旋向上”和“自旋向下”。
电子自旋的正负值代表了电子旋转方向的不同，而自旋向上和自旋向下则分别表示电子自旋在自旋量子数z方向上的投影为正和负。
通过自旋量子数的表示，我们可以区分具有不同自旋方向的电子。
电子自旋还具有与空间角动量垂直且大小固定的特性，这使得电子自旋在许多领域的研究和应用中具有重要价值。
二、电子自旋的研究与应用1. 量子力学与自旋理论量子力学中的自旋理论为我们深入了解电子自旋的性质和行为提供了基础。
通过研究自旋态和自旋概率密度，我们可以更好地理解电子在原子和分子中的行为，以及它们对于化学反应和物质性质的影响。
2. 磁性材料与磁存储技术电子自旋直接与磁性材料和磁存储技术相关。
在磁记录中，例如硬盘驱动器和磁带，信息是通过读写头产生磁场来写入或读取的，而读写头中的电子自旋在此过程中起着关键作用。
研究电子自旋和磁性材料之间的相互作用，有助于提高磁存储技术的性能和稳定性。
3. 电子自旋共振电子自旋共振是通过外部磁场作用下，使电子自旋状态发生变化的一种技术。
它被广泛应用于核磁共振成像（MRI）中，用于观测和诊断人体组织和器官的结构和功能。
电子自旋共振在医学、生物学和材料科学领域有着重要的应用和研究价值。
4. 自旋电子学自旋电子学是一种新兴的领域，利用电子自旋操控和传输信息。
与传统的电子学不同，自旋电子学在信息处理和存储中利用电子自旋来替代电荷。
这一领域的发展有望在信息技术中带来更高的速度、更低的功耗和更大的容量。
5. 自旋量子计算自旋量子计算是以电子自旋状态作为计算基本单元的一种量子计算方法。
材料物理学中的自旋电子学研究
材料物理学中的自旋电子学研究自旋电子学是材料物理学的一个重要领域，研究的是自旋在电子输运和磁性行为中的角色。
自旋电子学研究旨在探索和利用电子自旋在材料中的属性和交互作用，以开发出新颖的器件和技术。
在本文中，我将介绍自旋电子学的背景、研究领域和一些典型的研究成果。
自旋是电子的量子性质之一，类似于旋转角动量。
自旋电子学的关注点在于电子自旋的控制和操纵。
传统的电子学中，主要研究电子的荷电性质，而忽视了自旋对电子行为的影响。
然而，近年来的研究表明，自旋在电子材料中起着重要的角色，可以用来控制和传输信息。
自旋电子学的研究目标之一是实现自旋转换器件，将自旋作为信息的载体，而不是仅仅利用电荷。
在自旋电子学中，研究的一个重要问题是自旋注入。
自旋注入是将自旋极化的电子注入到材料中的过程。
通过调节外部磁场或电流，可以实现自旋电子的注入，并在材料中传输和操纵自旋。
自旋注入技术为自旋电子学研究提供了基础，并在实现自旋器件和自旋存储器方面取得了重要进展。
另一个研究方向是自旋霍尔效应。
自旋霍尔效应是一种自旋依赖的电荷输运现象，它在材料中产生横向自旋极化和电荷分离。
自旋霍尔材料可以实现自旋电流的导向和控制，并且在自旋电子学应用中具有重要意义。
自旋霍尔效应的研究成果也为自旋电子学提供了许多新的材料和器件设计思路。
还有一些其他重要的自旋电子学研究方向，如自旋电流激发的磁性行为、磁性材料中的自旋输运和磁矩动力学等。
这些研究方向都涉及到电子自旋在材料中的相互作用和传输，以及其对材料性质的影响。
通过研究这些现象，可以深入理解自旋电子学的基本原理，并开发出一系列具有潜在应用的新材料和器件。
在自旋电子学领域已经取得了一些重要的研究成果。
例如，利用自旋注入技术，已经实现了自旋转换器件，用于传输和操纵自旋信息。
另外，利用自旋霍尔效应，实现了自旋电流的控制和导向，为自旋电子学应用提供了新的途径。
此外，还有一些研究成果表明，通过控制材料结构和界面，可以实现自旋相关现象的调控和增强。
磁性材料的自旋电子学
磁性材料的自旋电子学自旋电子学是一门研究自旋与电子相互作用的学科，它在磁性材料的研究中扮演着重要的角色。
磁性材料是一类具有自发磁化特性的材料，它们可以通过外加磁场使其自旋有序排列，从而改变其电子的输运性质。
本文将从自旋电子学的基本概念入手，探讨磁性材料在该领域中的应用和研究进展。
一、自旋电子学的基本概念自旋电子学是自旋和电子之间相互作用的研究领域，在该领域中，自旋被认为是电子的一个内禀属性，类似于电荷。
自旋可以理解为电子围绕自身轴心旋转而产生的磁矩，它决定着电子在磁场中的相互作用和运动方式。
在自旋电子学中，通过调控自旋的状态，可以控制电子的自旋输运和磁性行为，从而实现新型电子器件的设计和应用。
二、磁性材料由于其自发磁化的特性，成为自旋电子学研究中的重要对象。
这些材料中的电子自旋可以通过外加磁场、电场或光激发等方式进行控制。
其中一种常见的磁性材料是铁磁体，它具有较高的自旋极化率和磁滞回线特性。
通过调控铁磁体中的自旋，可以实现快速的磁性翻转，从而提高数据存储和处理的速度和密度。
除了铁磁体，自旋电子学还涉及到其他类型的磁性材料，例如反铁磁体和拓扑绝缘体。
反铁磁体具有相邻原子自旋方向相反的特点，对电子自旋的调控有着独特的应用。
拓扑绝缘体则是一种特殊的材料，其表面存在特殊的拓扑结构，导致自旋与电子的耦合产生新奇的现象，例如自旋电荷分离和自旋霍尔效应。
三、自旋电子学的应用自旋电子学的研究不仅仅局限于基础物理理论，还涉及到许多重要应用。
其中之一是自旋电子学器件的设计与制备。
通过结合磁性材料和半导体材料的特性，可以制备出自旋二极管、自旋场效应晶体管等新型电子器件，这些器件具有快速响应和低功耗的特点，可以在信息存储、传感器等领域得到广泛应用。
另外，磁性材料在磁存储领域中也起着重要作用。
自旋电子学的发展使得磁存储器件的存储密度不断提高，并且能够实现单个磁位的读写操作。
这为大容量、高速度的数据存储提供了可能，为信息技术的进一步发展提供了强有力的支持。
第三讲自旋电子学课件
近似：电子与（热激发）自旋波散射可以忽略， （低于居里点） 只考虑电子与磁性离子自旋间的散射。 （s－d散射）
约定：与磁矩同方向的电子处于主要子带（majority）
相反方向自旋电子处于次要子带（minority）
两流体模型（2）
自旋相关散射(磁电阻效应)
FM(Ni-Fe)
S1
S2
(Al-O)
NM(Cu(001))
FM(Co(001))
上下自旋平行时电子容易通过--低电阻态 上下自旋反平行时电子被散射—高电阻态
Capping layer
Free layer
Tunnel barrier Reference layer Spacer layer Pinned layer Pinning layer
当然 D d 2 0 不等式成立
Julliere公式（3）
TMR 比率（放大的）
定义 TMR I I I
分子 ＝ D1 D1 D2 D2
分母 ＝ D1 D2 D1 D2
Julliere公式（4）
TMR的公式（用自旋极化率 表示）
第一个电极 p1 D1 D1 D1 D1 第二个电极 p2 D2 D2 D2 D2
TMR实验结果
韩秀峰等 （2000）
隧道磁电阻
隧道磁电阻效应的物理机制
Julliere公式（1）
隧穿电流 （近似!）I ∝ 指数衰减部分×状态密度部分
上左图 FM电极的磁矩彼此“平行”
I exp A U0 D1 D2 D1 D2
（注意：数值大小是 D D d d ）
上右图 FM电极的磁矩彼此“反平行”
磁性材料中的自旋电子学及其应用
磁性材料中的自旋电子学及其应用自旋电子学是一门利用自旋来操纵和控制电子行为的研究领域。
随着科技的进步和对电子器件性能的不断追求，自旋电子学在材料科学和器件工程中扮演着重要的角色。
磁性材料作为自旋电子学的基础材料，具有自旋自发极化、磁矩和磁力耦合等特性，为自旋电子学的研究和应用提供了理想的平台。
本文将从自旋电子学的基本概念、磁性材料的特性和自旋电子学的应用等方面，介绍磁性材料中的自旋电子学及其应用。
一、自旋电子学的基本概念自旋电子学是研究自旋自发极化和自旋操控的学科，其概念来源于基本粒子的自旋。
自旋是微观粒子的固有属性，类似于旋转角动量，是描述粒子自旋状态的物理量。
自旋的朝向可以取上、下两个方向，分别表示向上自旋和向下自旋。
自旋电子学的基本思想是利用自旋来操控电子行为。
传统电子学主要通过控制电子的电荷来实现电子器件的功能，而自旋电子学则通过控制和利用电子的自旋来达到更高的性能和功能。
自旋电子学有望在存储器、传感器、计算和通信等方面发挥重要作用。
二、磁性材料的特性磁性材料是自旋电子学的基础材料。
磁性材料具有自旋自发极化和磁矩的特性，能够产生和响应磁场，从而实现自旋电子学的操控和探测。
磁性材料的特性包括饱和磁化强度、剩余磁化强度、矫顽力、磁导率等。
磁性材料能够通过外加磁场或电流来调控其磁矩大小和方向。
通过调控磁矩，可以实现自旋的操控和植入，为自旋电子学的应用提供了基础。
同时，磁性材料还具有自旋与电荷的耦合效应，可以实现磁场调控电阻、自旋谐振和磁光调制等功能。
三、自旋电子学的应用1. 磁存储器磁存储器是自旋电子学最重要的应用之一。
传统的硬盘和磁带都是利用磁性材料的磁性和自旋特性来实现数据的存储和读取。
而基于自旋电子学的新型磁存储器，则通过调控自旋来实现更高的存储密度和读写速度。
磁存储器的发展，将极大地促进计算机和移动设备的性能和功能的提升。
2. 自旋电子学器件自旋电子学器件是一类利用自旋来实现电信号处理和信息传输的器件。
材料物理学中的自旋极化电子学
材料物理学中的自旋极化电子学自旋极化电子学是材料物理学中一个重要的领域，自旋极化电子学主要研究的是材料中的自旋极化电子的性质及其在电子学和磁学方面的应用。
本文将从自旋极化电子的基本概念、自旋极化电子在材料中的性质、自旋极化电子学的应用及未来的发展方向等方面进行探讨。
一、自旋极化电子的基本概念在量子力学中，每个电子都具有一个自旋量子数，表示为s。
自旋量子数实际上是一个表示电子旋转方向的量子数，其只有两种取值，即上自旋和下自旋。
自旋极化电子指的是一种带有自旋的电子。
自旋极化可以通过磁场或磁性材料来实现。
自旋极化将电子分为两种类型，即自旋向上的电子和自旋向下的电子。
这两种电子在材料中的行为不同，因此自旋极化电子的出现为材料物理学提供了一种新的角度。
二、自旋极化电子在材料中的性质自旋极化电子在材料中的性质主要表现在磁性和输运方面。
磁性方面，材料中的自旋极化电子会对材料的磁性产生影响。
例如，当材料中存在大量自旋向上的电子时，材料会具有自发磁化性质，这种自发磁化性质被称为铁磁性。
当材料中存在自旋向上和自旋向下的电子数量相同时，材料会呈现顺磁性。
当材料中的自旋极化电子数量非常少时，材料不具有磁性。
输运方面，自旋极化电子在材料中的运动方式与常规电子有所不同。
自旋极化电子的自旋导致其在材料中的运动受到一定约束。
这种约束导致自旋极化电子在材料中的输运性质与常规电子有所不同。
例如，自旋极化电子具有spincurrent（自旋电流）特性，这种特性能够让其在材料中传输信息。
三、自旋极化电子学的应用自旋极化电子学是一门非常有用的学科，其应用涵盖了很多领域，例如电子学、信息技术等。
在电子学方面，自旋极化电子学为电子器件的制造提供了新的思路。
自旋极化电子器件可以与普通电子器件一起构成非常复杂的电子系统，从而实现更加智能且高效的电子器件设计。
在信息技术方面，自旋极化电子学的应用主要体现在记忆和存储方面。
例如，MRAM（磁阻随机访问存储器）利用了磁性自旋极化电子的特性，可以实现数据的快速存储和读取。
固体物理学中的自旋电子学与自旋材料
固体物理学中的自旋电子学与自旋材料在固体物理学中，自旋电子学是一门研究自旋及其相互作用在固体中的行为的学科。
自旋是电子的一个内禀属性，类似一个微小的磁矢量，它不仅与电子的轨道运动相互作用，还可以与其他自旋相互作用，从而影响到材料的电子输运、磁性、光学和热学等性质。
近年来，自旋电子学在材料科学和信息技术领域引起了广泛关注，并展现出了巨大的发展潜力。
一、自旋电子学的基础概念和物理原理1. 自旋概念：自旋是电子的一个内禀角动量，代表了电子围绕自身旋转的性质。
自旋可以取两个离散的取值：自旋向上（↑）和自旋向下（↓）。
2. 自旋-轨道耦合：自旋与电子的轨道运动之间存在相互作用，称为自旋-轨道耦合。
这种相互作用会导致自旋的定向发生变化，从而影响材料的电子性质。
3. 自旋磁矩：自旋具有磁矩，类似于一个微小的磁场。
自旋磁矩可以与外加磁场相互作用，从而改变电子的能量状态。
4. 自旋相干和自旋输运：自旋相干是指自旋在材料中保持一定的相对方向关系的现象。
自旋输运则研究自旋在材料中的传递和传输，包括自旋扩散和自旋流。
二、自旋材料的研究和应用1. 磁性材料：自旋是导致材料呈现磁性行为的重要原因。
自旋材料的研究旨在理解和控制材料中自旋的定向和相互作用，从而实现磁性的调控和应用。
2. 自旋电子学器件：自旋电子学器件利用自旋的内禀属性进行信息存储和处理。
典型的自旋电子学器件包括自旋转换器件、自旋阀和自旋晶体管等。
这些器件在新型信息存储和计算领域具有广泛的应用前景。
3. 自旋-光电子学：自旋-光电子学研究利用光激发自旋材料中的电子自旋，探索自旋在光学过程中的相互作用。
这一领域的研究对于发展光电子学和量子信息处理具有重要意义。
4. 量子自旋霍尔效应：量子自旋霍尔效应是材料中一种新颖的量子现象，其特点是自旋和运动方向耦合。
这种效应在拓扑绝缘体中得到了实验验证，并在量子计算和自旋电子学领域引起了广泛兴趣。
三、自旋电子学的挑战和展望尽管自旋电子学在材料科学和信息技术领域已经取得了重要进展，但仍然面临着一些挑战。
电子自旋和磁性材料的基本理论
电子自旋和磁性材料的基本理论自旋是描述电子内禀运动状态的量子数，通常用矢量或者箭头代表。
一般来说，电子只有在当物质参与到了磁性过程中，才会表现出其自旋的特性。
如果在现代物理学的角度来看，自旋的性质与电子的激发态同样重要，因此磁性材料已经成为了强大的物质平台。
本文的目的是带领大家了解一下电子自旋和磁性材料的基本理论。
I. 自旋对于电子而言，通常都将其当做是一颗类似于行星的粒子。
不过这只是一个相对的描述，而当描述电子时，我们可以用自旋来描述其在其自身内部所产生的运动状态。
一般而言，电子的运动方向是一个三维的向量，而其中的每一个方向都可以表示电子的自旋状态。
在这种情况下，电子可能将自己的角向动量呈现出一个特定的值，这就是电子自旋的量子数。
II. 磁性材料磁性材料是指在外加磁场时，其可任意磁化成类型相同的磁性物质。
而磁性材料的特性将有助于固体物理学家了解磁隙背景下的各种现象。
1. 铁磁性材料铁磁性材料是指在外加磁场时，在一定的温度下会自发的磁化。
这个现象是由于电子自旋的特性所引起的。
通常来说，一个晶体的外观看起来与铁一样，这也就是称之为铁磁性材料的原因。
2. 抗磁性材料抗磁性材料和铁磁性材料相似，其都可以在外加磁场下呈现出不同的磁化性质。
但是，与铁磁性材料不同的是，抗磁性材料的磁化方向正好相反。
那么，这个问题的根源是什么呢？或者更确切的说，这个问题和电子自旋有什么关系呢？对于大部分材料而言，存在着由于电子自旋所产生的非均匀分布的磁场。
而在这个情况下，抗磁性材料的电子自旋会向外散开。
3. 铂磁性材料铂磁性材料是一种使外部磁场对其暴露的响应非常敏感的材料。
这个现象是由于铂磁性材料的电子自旋所产生的非均匀分布的磁场引起的。
同时，当铂磁性材料受到外部磁场影响时，其电子自旋将会重新组合，并产生一个新的磁场。
4. 反铁磁性材料反铁磁性材料和铁磁性材料的一些特性非常相似。
不过，这个材料的磁矩阻尼很小。
这也就是说，反铁磁性材料的电子自旋和其晶格之间存在一种特殊的量子力学相互作用。
固体物理学基础晶体的自旋电子学与自旋子态
固体物理学基础晶体的自旋电子学与自旋子态自旋电子学作为固体物理学的重要分支，研究自旋电子在固体材料中的行为和相互作用。
自旋是电子的固有属性之一，与电子的电荷密切相关。
通过探究自旋电子在晶体中的行为，科学家们逐渐揭示了自旋电子学的丰富多样性和潜力。
在这个领域中，自旋子态是一个引人注目的研究对象，它们是可以操控和操纵的自旋激发态。
本文将深入探讨晶体的自旋电子学和自旋子态。
一、晶体中的自旋电子学晶体是由周期性排列的原子或分子组成的固体材料。
在晶体中，电子的自由度受到晶格结构的限制和调控。
当电子在晶格中运动时，晶格中的周期性势场会对其产生作用，导致电子的动量和能量量子化。
与自由空间中的电子不同，晶体中的电子可以在能带中取离散的能量值，形成能带结构。
在晶格中，电子的自旋也受到晶格调制的影响。
自旋可以理解为电子围绕自身旋转所产生的磁矩。
晶体中的电子自旋与电荷密切相关，因此可以通过外加电磁场来操控电子的自旋状态。
例如，通过磁场可以改变电子自旋的定向，在固态系统中产生磁化效应。
二、自旋子态的概念与特性自旋子态是由自旋激发引起的一种电子激发态。
自旋子态在固体物理学和自旋电子学中具有重要的研究意义。
通过在晶体中引入自旋非线性相互作用，可以形成一系列自旋子态。
自旋子态可以通过多种手段进行操控，包括外部磁场、自旋极化光激发等。
自旋子态通常具有长寿命和强耦合性质。
由于自旋子态不仅与自旋自由度相关，还与晶格和其他自旋激发相互作用，因此其行为更复杂多样。
自旋子态可以被看作是自旋电子学中的“粒子”，具有自己的能级、自旋角动量等性质。
三、自旋子态的应用与前景自旋子态在固态材料中具有广泛的应用前景。
首先，自旋子态可以作为信息载体传递和处理信息。
借助自旋子态的长寿命和耦合性质，可以实现自旋逻辑门和自旋量子比特的操作，为量子计算和量子通信提供新的思路和方法。
其次，自旋子态在自旋电子学器件中具有巨大的潜力。
传统的电子学器件基于电荷的传输和控制，而自旋子态可以提供更快速、更节能的信息处理方式。
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。
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needs
HMFMs compatible with the important III-V and II-VI semicondutors such as GaAs, GaSb, InAs, InSb, …
Nearly HMFM in zb MnAs
Sanvito and Hill Group, UC Santa Babara
• For wider half-metallic gaps (in order to achieve high spin-polarization at quite high temperature) • Compatible with important semiconductors (in order to improve on interface effect, ….)
zincblende structure
Other strucuture? A summary
4. 相关信息
1. 自旋电子学背景
传统电子器件： 利用电荷，不利用自旋
自旋电子学器件：
只利用自旋 或者 同时利用电荷与自旋
可能的器件
Spin valve and MTJ Magntic RAM and read head Spin-FET, spin LED, spin RTD Encoder, decoder, quantum bits
CrSb
Gamma 15: Cr d t2g Gamma 1: Cr s Gamma 12: Cr d eg Gamma 15: Sb p C C’ C C’ A A’ B B’
A summary for known zb HMFMs
name lattice const. Moment HM gap robustness
1999年至今，物理所“固体物性计算研究”研究组组长。 1999年晋升为物理所研究员。 2001年至今，物理所博士生导师、理论室副主任。
主要研究领域
1. 与半导体相容的磁性材料的第一原理研究与设计
半金属铁磁体、磁性半导体、….
2. 纳米结构的物性研究 生长模拟、结构研究、电子结构、纳米磁性 3. 基本电子与自旋系统的理论研究
NiMnSb
CrO2
Fe3O4
Sr2FeMoO6
HMFM in zb structures
higher spin polarization, longer spin coherence length, improved interfacial effects higher performance and …..
基本问题
即便是单纯自旋器件， 放在环境之中时也有与其它 部分的匹配问题。
其它基于自旋的器件
现在还未知的
因此，基本问题总涉及 两个以上的部分，多数会同 时涉及电荷与自旋。
这就存在一个结构、电 子态等方面的相容性问题。
材料候选者
• 磁性半导体
特点：具有半导体优点，但居里温度较低
• 稀磁半导体
特点：基于半导体，但是磁性原子密度小、…
[1] Xu YQ et al, Phys Rev B 66, 184435 (2002) MnBi and MnSb [2] Liu BG, Phys Rev B 67, 172411 (2003) (预印本于2002年6月张贴：cond-mat/0206485) CrSb Meta-stable energy: about 0.9~1 eV per formula difficult to be fabricated as films thick enough for real spintronic applications.
Better HMFM: Transition-metal chalcogenides
• For lower meta-stable energy
(for films or layers thick enough for real applications
• For better structural stability (high quality samples)
MnAs 5.643 MnSb[1] 6.166 MnBi[1] 6.40 CrAs CrSb[2] 5.659 6.138
3.75 4.000 4.000 3.000 3.000
0.0 0.15 0.46 0.46 0.77
-6 ~ +12 % -15 ~ +28 % -12 ~ +27 % -21 ~ +60 %
zb Mn(Bi,Sb)
• zincblende MnAs: ‘nearly HMFM’, but not true HMFM • zincblende MnSb: someone said ‘yes’, but others said ‘no’ needs confirmation • zincblende MnBi: is HMFM ??
(The dot denotes energy derivative.)
2. In interstitial region
The approximation used
1. Exchange-correlation potential: GGA PBE96 2. Relativistic effect: Core states in spheres: full relativistic others: scalar approximation spin-orbit coupling small enough, not included
The first DFT predicted HMFM: Half-heusler: NiMnSb By de Groot et al in 1983
A lot of theor. and exp. exploration since then
For new HMFMs and Half-metalli ferrimagnets
同时要求： 高自旋极化率、相容性、纳米尺度与高温性能好
目标： 与半导体相容的半金属铁磁体
在纳米尺度上理想的候选者！
• 自旋极化率高 • 纳米尺度上性能稳定性好 • 与半导体相容 • 可以在室温以上工作
3. 与半导体相容的半金属铁磁体
～主要介绍我们自己的工作
What are half-metallic ferromagnets (HMFM)？
High accuracy =>
High probability that predicted HMFMs are true and confirmed in experiment
DFT: basic concepts
Electron density can be expressed in term of the orbitals.
物理所前沿讲座2004
自旋电子学的材料物理基础
刘邦贵
中国科学院物理研究所
北京 2004年4月8日
刘邦贵简历
1978－1982，西安电子科技大学，获物理学士学位。 1986年在四川大学获得理论物理硕士学位。 1989年在西北大学获得理学博士学位。 1989年来物理研究所做博士后。 1991年加入中国科学院物理研究所。 1995年获得德国洪堡基金会的research fellow。
The realized zb materials
Although not the ground states, compounds with zincblende structure by epitaxial growth on III-V semiconductors 1. 2. 3. 4. MnAs nanodots CrAs thin films (<5 unit cells) CrAs superlattices CrSb thin films and multilayers (?)
A brief introduction to HMFM
Method: FLAPW method within DFT Transition-metal pnictides and chalcogenides with
zincblende structure
Other strucuture? A summary
MnBi
Gamma 15: Mn d t2g Gamma 1: Mn s Gamma 12: Mn d eg Gamma 15: Bi p
HMFM in zb CrSb?
Bulk: NiAs phase is AFM Thin films of zb CrSb on GaAs, GaSb is FM Since ZB CrAs is HMFM, Is zb CrSb HMFM?
All 3d-transition-metal chalcogenides
Systematical calculations on TS in zincblende structure T: Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni S: S, Se, Te
Three HMFMs only:
What are half-metallic ferromagnets (HMFM)?
Spin up: metallic Spin down: non-metallic
Non-magnetic
Ordinary FM
HMFM
A brief introduction to HMFM history and status
内容提要
1.
2. 3.
自旋电子学背景
材料要求 与半导体相容的半金属铁磁体
What are half-metallic ferromagnets (HMFM)？ A brief introduction to HMFM Method: FLAPW method within DFT Transition-metal pnictides and chalcogenides with the