自旋电子学材料的应用 综述：自旋电子学材料的第一性原理设计

综述：自旋电子学材料的第一性原理设计

电子同时具有电荷与自旋两个内禀自由度，它们是物质世界各种各样的物理和化学性质的根源。例如，电子电荷在电场下的迁移产生了电导，而电子自旋在空间的有序排列则导致了磁性。应用电子的电荷自由度开创了人类的微电子时代。随着摩尔定律走向尽头，同时为了增强器件的多功能性，人们逐渐将目光转向利用电子的自旋自由度。将电子的自旋植入电子器件进行信息处理的方法即为自旋电子学。相对于传统的微电子学器件，自旋电子学器件具有一些潜在的优势，比如运算速度快、集成度高，以及能耗低等。因此，自旋电子学成为近年来物理化学领域研究的热点。

在发展高性能自旋电子学器件的过程中，至少有3个基本的科学问题必须得到很好地解决：自旋的产生和注入，自旋的长程输运，自旋的调控以及探测。这些问题的解决，一方面需要依靠器件设计与优化技术的发展，另一方面在于寻找具有特定自旋电子学性质的功能材料，例如磁性半导体材料、半金属材料等。目前，在实验和理论上已经有不少自旋电子学材料被相继提出，然而它们与实际应用还存在较大的距离，这类材料的发展之路仍然任重而道远。

由中国科学技术大学李星星博士和杨金龙教授共同撰写的综述文章“自旋电子学材料的第一性原理设计”（http://nsr.oxfordjournals.org/content/3/3/365）在《国家科学评论》2016年第3期发表。这篇论文综述了通过第一性原理计算的方法设计具有各种功能的自旋电子学材料，包括铁磁金属、半金属、拓扑绝缘体以及具有不同自旋极化特征的磁性半导体，介绍了它们各自的工作原理、优缺点和最新的发展态势。文章简单阐述了反铁磁自旋电子学的概念和发展，分析了目前自旋电子学材料应用面临的一些问题，展望了自旋电子学材料设计的未来发展方向。

杨金龙教授课题组近年来在自旋电子学材料模拟与设计方面开展了深入研究。他们提出了双极磁性半导体的概念，可以利用电场对载流子自旋进行直接的调控；提出了非对称反铁磁半导体的概念，为解决磁性半导体的磁有序温度普遍低于室温这一难题提供了新的思路。基于这些新概念和第一性原理计算，他们设计了多种自旋电子学新材料。（来源：科学网）

新发现，将为未来的自旋电子应用，开启新的磁性特性

一项理论与实验合作的研究，发现了二维结构中的新磁性能，这对自旋电子学新兴领域研究具有令人兴奋的潜力。自旋电子器件除了使用传统电子器件的电荷外，还使用一种称为自旋的量子特性。因此，自旋电子学有望实现具有显著增强功能的超高速低能电子设备。rmit和新南威尔士大学的研究发现，在由数层新颖的二维材料组成，被称为vdW异质结构的器件中，存在着从未见过的磁性能。

最新结果表明，与传统的自旋电子学方法相比，vdW自旋电子学可以为器件提供更多的功能。进一步的研究可以产生具有重大工业应用价值的设备。二维(2-D)范德华(vdW)材料是新一代自旋电子器件的有效组成部分。

当用非磁性vdW材料(如石墨烯和/或拓扑绝缘体)分层时，可以组装vdW异质结构，以提供其他无法实现的器件结构和功能。科学家们研究了二维Fe3GeTe2 (FGT)，在之前的一项研究中，发现这种金属在自旋电子器件中具有很好的铁磁性，在材料中发现了一种前所未见的巨磁电阻(GMR)模式。

不像传统，已知的两个GMR状态(即高阻和低阻)发生在薄膜异质结构中，研究人员还测量了反对称GMR与一个额外，不同的中间电阻状态。这表明vdW铁磁异质结构与类似结构表现出本质上不同的性质，这一令人惊讶的结果，与之前关于GMR的观点相反。这表明vdW异质结构具有不同的物理机制，具有改进磁信息存储的潜力。理论计算表明，这三种电阻水平是石墨/FGT界面自旋动量锁定诱导自旋极化电流的结果。

合著者FLEET博士Cheng Tan说：这项工作对二维材料、自旋电子学和磁学的研究具有重大意义。这意味着传统的隧穿磁阻器件、自旋轨道转矩器件和自旋晶体管可能会得到重新研究，利用类似vdW异质结构来揭示类似的惊人特性，其研究成果研究发表在《科学进展》上。该实验的详细电子输运测量是由CI教授王兰(RMIT)和副主任亚历克斯·汉密尔顿教授(UNSW)领导的研究人员合作完成，使用的是由王兰教授团队在RMIT制造的异质结构和设备。

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