前言

電子同時(shí)具有電荷與自旋二個(gè)本征量，電荷為標(biāo)量，自旋為矢量，以往，二者在不同的領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用，自旋主要局域于磁性材料領(lǐng)域，對(duì)強(qiáng)耦合的自旋體系已成為重要的磁有序材料，其中含鐵磁、亞鐵磁、反鐵磁以及自旋螺旋有序材料，而電荷卻活躍在電工、電子等眾多領(lǐng)域。溯源上千年，人類已對(duì)磁與電有所感性認(rèn)識(shí)，縱觀人類社會(huì)的發(fā)展史，19世紀(jì)人類在對(duì)電流、磁場(chǎng)及其互作用的科學(xué)研究基礎(chǔ)上，成功地制造了電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、電燈、電話等電器，形成了電工學(xué)，從而在美國(guó)、歐州首先產(chǎn)生了第二次產(chǎn)業(yè)革命，使人類進(jìn)入到電氣化時(shí)代，從物理的觀點(diǎn)看來(lái)，19世紀(jì)是人類開始按照科學(xué)的規(guī)律用電場(chǎng)調(diào)控電子電荷流的新紀(jì)元，20世紀(jì)是人類利用量子力學(xué)，能帶理論在半導(dǎo)體中調(diào)控電荷運(yùn)動(dòng)，形成了微電子學(xué)的新學(xué)科，制造出二極管到超大規(guī)模集成電路的IC芯片，從而開創(chuàng)了第三次產(chǎn)業(yè)革命，使人類進(jìn)入到信息化時(shí)代。電工學(xué)與電子學(xué)以及微電子學(xué)主要研究電子電荷的輸運(yùn)性質(zhì)，都未涉及到電子具有自旋的特性，第二次、三次產(chǎn)業(yè)革命是以電場(chǎng)調(diào)控電荷為主，但在應(yīng)用中都離不開磁性材料，如在電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)中離不開硅鋼片磁性材料，在計(jì)算機(jī)中關(guān)鍵部件是芯片與利用磁性材料進(jìn)行信息存儲(chǔ)的硬盤，從這個(gè)角度考慮自旋在產(chǎn)業(yè)革命中也是直接發(fā)揮了重要的作用，只是人們不甚了解它的重要性而已，但自旋在輸運(yùn)過程中確實(shí)尚未發(fā)揮作用。

既然電子同時(shí)具有電荷與自旋，為什么在電工學(xué)與電子學(xué)以及微電子學(xué)中均不考慮自旋呢？原因是電工學(xué)與電子學(xué)以及微電子學(xué)所研究的對(duì)象均為宏觀尺度，電子在固體中運(yùn)動(dòng)時(shí)必然受到晶格的散射，電荷為標(biāo)量，其特性不變，而自旋是矢量，在散射過程中將會(huì)改變其自旋取向，在電子輸運(yùn)過程中，自旋保持其方向不變所經(jīng)過的平均路程稱為自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度，超過自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度時(shí)，自旋將會(huì)反向，通常電子在磁性材料中的自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度約為10-100nm，在半導(dǎo)體中約為1-10微米，傳統(tǒng)電工學(xué)與電子學(xué)所研究對(duì)象的長(zhǎng)度，通常遠(yuǎn)超過自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度，因此，自旋在輸運(yùn)過程中將翻轉(zhuǎn)多次，統(tǒng)計(jì)平均的結(jié)果矢量和為零，將顯示不出自旋的存在，因此在傳統(tǒng)的電工學(xué)與電子學(xué)中可忽略電子具有自旋這一特性。然而，當(dāng)我們研究的對(duì)象其尺寸與自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度相當(dāng)或更小時(shí)，如在納米尺度的體系中，自旋的特性將會(huì)顯示出來(lái)。20世紀(jì)80年代，法國(guó)Albert Fert與德國(guó)Peter Grünberg二位科學(xué)家所做的工作充分證明了這一點(diǎn)，他們研究了（Fe/Cr/Fe）n納米多層膜的層間交換耦合作用以及輸運(yùn)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng)，該效應(yīng)表明自旋取向?qū)?huì)影響電子的輸運(yùn)過程，呈現(xiàn)出電阻的改變，從而開創(chuàng)了磁電子學(xué)（magnetoelectronics）的新學(xué)科，鑒于其研究的重要的基礎(chǔ)意義與巨大的應(yīng)用領(lǐng)域，這二位科學(xué)家獲得2007年度的物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)，評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)宣稱“該效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)打開了一扇通向技術(shù)新世界的大門，開啟了科學(xué)研究的新紀(jì)元”。自然人們會(huì)聯(lián)想到在半導(dǎo)體器件中除電場(chǎng)調(diào)控電荷外，如器件中的電子自旋有序極化時(shí)，也可調(diào)控自旋，從而可創(chuàng)造出新穎的半導(dǎo)體自旋器件，21世紀(jì)初，研究的重點(diǎn)已轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體自旋電子學(xué)的新方向，繼后，又?jǐn)U展到有機(jī)分子體系，這三者構(gòu)成自旋電子學(xué)（Spintronics）研究的內(nèi)涵。本文將簡(jiǎn)略地介紹自旋電子學(xué)及其器件產(chǎn)業(yè)化情況。

一、磁電子學(xué)

1988年報(bào)道了在（Fe/Cr）n多層膜中發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)（GMR）之后，引起了科學(xué)界廣泛的興趣與重視，迅速地發(fā)展成為一門新興的學(xué)科-磁電子學(xué)，磁電子學(xué)與傳統(tǒng)的電子學(xué)或微電子學(xué)的主要區(qū)別在于傳統(tǒng)的電子學(xué)是用電場(chǎng)控制載流子電荷的運(yùn)動(dòng)，而磁電子學(xué)是利用磁場(chǎng)或極化電流控制載流子自旋的運(yùn)動(dòng)，巨磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)為人們獲得與控制極化自旋流開拓了現(xiàn)實(shí)的可能性。多層膜巨磁電阻效應(yīng)是源于載流子在輸運(yùn)過程中與自旋相關(guān)的散射作用。繼多層膜磁電阻效應(yīng)后，顆粒膜，隧道結(jié)磁電阻效應(yīng)（TMR）以及錳鈣鈦礦化合物的龐磁電阻效應(yīng)（CMR）等相繼被發(fā)現(xiàn)，自旋閥的多層膜結(jié)構(gòu)使產(chǎn)生巨磁電阻效應(yīng)的飽和磁場(chǎng)大為降低，才促使巨磁電阻效應(yīng)走向?qū)嵱?。最早?bào)道的（Fe/Cr）n納米多層膜巨磁電阻效應(yīng)見圖1。

由圖顯見，這是納米結(jié)構(gòu)的多層膜，磁性的Fe層保持3納米，而非磁性Cr層的厚度從1.8納米降低到0.9納米，隨著Cr層的厚度的降低，磁電阻效應(yīng)顯著增大。原本科學(xué)家研究重點(diǎn)是二鐵磁層間如插入非磁性金屬層時(shí)，鐵磁層間是否存在耦合？實(shí)驗(yàn)表明：二Fe層間隔一薄層的非磁性Cr層后，二者之間存在鐵磁/反鐵磁型的振蕩型耦合，如圖2所示，該耦合作用被認(rèn)為通過傳導(dǎo)電子的RKKY型交換耦合所導(dǎo)致，見圖2。

圖2縱坐標(biāo)為交換耦合常數(shù)J，從交換能的公式Eex=-J（Si·Sj）可知，當(dāng)J為正值時(shí)，相鄰自旋間呈平行排列能量最低，反之，J為負(fù)值時(shí)，相鄰自旋間呈反平行排列，此外，非磁性層厚度小時(shí)交換耦合作用強(qiáng)，隨著非磁性層厚度增加，交換耦合作用由正到負(fù)呈振蕩型的衰減而趨于零。將圖1與圖2結(jié)合在一起考慮，呈現(xiàn)磁電阻效應(yīng)的非磁性Cr層處于反鐵磁耦合厚度時(shí)，磁電阻效應(yīng)就大，如何理解實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通常采用Mott的二流體模型，見圖3。

進(jìn)入鐵磁層的電子可分成自旋朝上（自旋平行于磁化強(qiáng)度M的方向）與自旋朝下（自旋反平行于磁化強(qiáng)度M的方向）二類，這二類電子在磁性層中輸運(yùn)時(shí)所受到的散射不一樣，自旋平行于磁化強(qiáng)度M方向的電子散射低，電阻低，反之散射就高，電阻高，因此可以將電子通過磁性層的電阻分解為二類電子電阻的并聯(lián)，如圖3. 如多層膜中的磁化方向交替的改變，那么對(duì)這二類電子的電阻其值均相同，如將多層膜在膜平面內(nèi)磁化到飽和，所有的各層磁化方向基本上趨向一致，由于自旋朝上的電子受的散射低，電阻小，因而二者并聯(lián)的總電阻將會(huì)顯著下降，從而可理解巨磁電阻效應(yīng)的物理機(jī)制，設(shè)想未加磁場(chǎng)時(shí)層間呈反鐵磁耦合，電阻高，隨著磁場(chǎng)增強(qiáng)，磁化趨于飽和，總電阻下降，顯示出巨磁電阻效應(yīng)。因此巨磁電阻效應(yīng)本質(zhì)上反映的是與自旋相關(guān)的電子輸運(yùn)性質(zhì)，這點(diǎn)十分重要，因?yàn)橐郧八械妮斶\(yùn)性質(zhì)僅僅關(guān)聯(lián)于電子電荷的運(yùn)動(dòng)，而巨磁電阻效應(yīng)表明：在合適的納米結(jié)構(gòu)中，調(diào)控自旋也可像調(diào)控電荷一樣影響電子的輸運(yùn)性質(zhì)，從而開拓出與自旋相關(guān)的新穎器件。endprint

上述的巨磁電阻效應(yīng)（GMR-Giant magnetoresistance）的基本構(gòu)型是F/M/F， F指鐵磁層，M代表非磁金屬層，電子在其中受到體內(nèi)與界面的散射，如M用非磁性的絕緣體（I）來(lái)取代，生成（F/I/F）結(jié)構(gòu)，此時(shí)電子只能隧穿絕緣層才能進(jìn)行輸運(yùn)，將會(huì)產(chǎn)生隧道磁電阻效益。

1975年Julliere首先在Fe/GeO/Co納米結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)隧道磁電阻效應(yīng)TMR（Tunneling magnetoresisitance），4.2K溫度下MR可達(dá)14%，這種（F/I/F）型隧道結(jié)的隧道磁電阻效應(yīng)見圖4，當(dāng)夾層膜二邊的磁化方向一致時(shí)，與磁化方向一致的電子自旋就能隧穿通過，反之，如二邊的磁化方向相反，電子就無(wú)法通過，相當(dāng)與自旋極化的濾波器，從能帶結(jié)構(gòu)可以理解隧穿效應(yīng)。雖然Julliere的磁性隧道結(jié)磁電阻效應(yīng)先于GMR效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，但由于室溫MR值不高，因此當(dāng)時(shí)未得到充分重視，直到1988年巨磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，才促使進(jìn)一步開展隧道磁電阻效應(yīng)的研究，1995年Miyazaki等人在（Fe/Al2O3/Fe）結(jié)中發(fā)現(xiàn)室溫MR值可達(dá)18%，重新興起隧道磁電阻效應(yīng)研究的熱潮，理論與實(shí)驗(yàn)的研究表明，如絕緣層采用MgO單晶層，可獲得甚高的TMR效應(yīng)，如圖4所示，結(jié)的TMR室溫值可高達(dá)500%，5K溫度下可達(dá)1010%，其靈敏度遠(yuǎn)高于GMR，目前TMR磁傳感器已廣泛地應(yīng)用于讀出磁頭等高靈敏度的器件中。

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的巨磁電阻效應(yīng)是原創(chuàng)性的成果，開拓了自旋電子學(xué)新領(lǐng)域，但事實(shí)上是無(wú)法直接進(jìn)入商業(yè)化的應(yīng)用，原因是所需的外磁場(chǎng)太高，需要高于1T的高磁場(chǎng)才能呈現(xiàn)出大的磁電阻效應(yīng)，因此，其磁場(chǎng)靈敏度低于已實(shí)用化的各向異性磁電阻效應(yīng)（AMR）器件與霍爾效應(yīng)器件，此外采用分子束外延的工藝生產(chǎn)納米多層膜也難以投入工業(yè)化生產(chǎn)，然后，美國(guó)學(xué)術(shù)界與企業(yè)界卻十分看好其應(yīng)用前景，花費(fèi)了3年左右時(shí)間的研發(fā)，采用反鐵磁交換耦合的自旋閥結(jié)構(gòu)，見圖5將產(chǎn)生巨磁電阻效應(yīng)所需的外磁場(chǎng)降低近一萬(wàn)倍，在0.1mT量級(jí)磁場(chǎng)下可獲得顯著的磁電阻效應(yīng)，終于成為磁傳感器產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)，但諾貝爾獎(jiǎng)只獎(jiǎng)給原創(chuàng)性的最初成果，在其基礎(chǔ)上實(shí)用化的進(jìn)展卻無(wú)此殊榮。

在磁電子學(xué)的研究歷程中，最重要的進(jìn)展是自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)（Spin-Transfer Torque）的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用。首先理論上預(yù)言自旋力矩的存在，繼后又得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)，自旋轉(zhuǎn)移力矩源于載流子自旋與局域電子自旋之間的力矩轉(zhuǎn)遞，其宏觀理論處理采用Landau-Lifshits-Gilbert方程式后再加上一項(xiàng)自旋力矩項(xiàng)（TS ），稱為L(zhǎng)andau-Lifshits-Gilbert-Slonczewski 方程：

dM/dt=γ[Heff×M]+TG+TS

其中M為磁化強(qiáng)度矢量，第一項(xiàng)代表當(dāng)自旋與磁場(chǎng)不平行時(shí)，自旋將受到一力矩使其圍繞著磁場(chǎng)Heff進(jìn)動(dòng)，進(jìn)動(dòng)頻率處于微波頻段。在力矩作用下最終自旋將平行于磁場(chǎng)，這意味著存在阻尼，這就是第二項(xiàng)（TG）所代表的，αG為損耗因子，γ為旋磁比。

TG=-（αGγ/M0）[M×[M×Heff]]

第三項(xiàng)為自旋轉(zhuǎn)移力矩項(xiàng).

TS=+（αSγ/M0）[M×[M×Mp]

其中：αS為自旋力矩常數(shù)

以往，自旋的翻轉(zhuǎn)或改變方向總是借助于外磁場(chǎng)，根據(jù)自旋力矩理論，自旋極化電流也可以改變或翻轉(zhuǎn)局域自旋的取向，利用自旋極化電流來(lái)調(diào)控自旋是十分有利器件小型化與降低能耗，利用此原理的磁隨機(jī)存儲(chǔ)器稱為ST（STT）-MRAM（spin-transfer-magnetic-random-access-memory），目前已成為國(guó)際信息存儲(chǔ)與處理的主要研發(fā)方向之一。

對(duì)自旋動(dòng)力學(xué)的研究是自旋電子學(xué)十分重要的方向，已成為“自旋波電子學(xué)”新分支。

廣義的磁電阻效應(yīng)指電阻隨磁化狀態(tài)而變化的現(xiàn)象，目前大致上將磁電阻效應(yīng)分為：正常磁電阻效應(yīng)（OMR）；各向異性磁電阻效應(yīng)（AMR）；順行磁電阻效應(yīng)（PMR）；巨磁電阻效應(yīng)（GMR）；隧道磁電阻效應(yīng)（TMR）；龐磁電阻效應(yīng)（CMR）；彈道磁電阻效應(yīng)（BMR）這幾類。磁電阻效應(yīng)奠定了磁電子學(xué)的基礎(chǔ)，磁電子學(xué)所涉及的主要是與自旋相關(guān)的輸運(yùn)性質(zhì)，或磁輸運(yùn)性質(zhì)（Magnetotransport），自旋極化是磁輸運(yùn)性質(zhì)的核心。

二、半導(dǎo)體自旋電子學(xué)

20世紀(jì)最偉大的成就之一是微電子工業(yè)的崛起，迄今為止，不論集成電路或超大規(guī)模的集成電路中的半導(dǎo)體元器件，僅僅利用了電子具有電荷這一自由度，用電場(chǎng)控制載流子的運(yùn)動(dòng)，從而獲得特定的功能。在計(jì)算機(jī)中，核心部件為芯片與硬盤，二者是通過外部的連接而耦合在一起的。長(zhǎng)期以來(lái)人們夢(mèng)寐以求磁性與半導(dǎo)體性能在固體內(nèi)部進(jìn)行耦合，20世紀(jì)60年代科學(xué)家就開展過磁性半導(dǎo)體材料的研究，其中包括反鐵磁性的氧化物材料，亞鐵磁性的鐵氧體材料，以及硫族化合物等，發(fā)現(xiàn)了磁電阻效應(yīng)，意味著在固體內(nèi)部可以存在磁與電的耦合，盡管尚未找到合適的材料，但卻為磁性與半導(dǎo)體特性合作現(xiàn)象的研究開拓了新領(lǐng)域。巨磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，無(wú)疑地為進(jìn)一步研究磁性半導(dǎo)體注入了一劑強(qiáng)心針，在新形勢(shì)下科學(xué)家換了新的思維，假如在半導(dǎo)體中進(jìn)行輸運(yùn)的載流子不是自旋無(wú)規(guī)取向的電子，而是自旋極化的電子，那么可以同時(shí)利用電子具有電荷又具有自旋這二個(gè)自由度，不僅可以利用電荷，而且可以利用自旋，自旋自由度的添加，將會(huì)產(chǎn)生難以估量的新型微電子學(xué)器件的誕生，此外，電子在金屬中的平均自由程約為10nm量級(jí)，但在半導(dǎo)體中電子的平均自由程可增加到10μm量級(jí)，十分有利于構(gòu)建半導(dǎo)體自旋電子學(xué)器件，因此如何將自旋極化的電子注入到常規(guī)半導(dǎo)體中，就成為解決問題的焦點(diǎn)，現(xiàn)在，采用多層膜，隧道結(jié)的方法可產(chǎn)生自旋極化電子流，當(dāng)然首選的是將金屬中的極化電子注入到半導(dǎo)體中，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果并不理想，由于金屬與半導(dǎo)體的電阻率相差近6個(gè)量級(jí)，阻抗不匹配，自旋極化電子難以注入到半導(dǎo)體中，此外，在界面散射將會(huì)引起自旋翻轉(zhuǎn)，其效率僅為1%左右，如采用自旋極化率為100%的半金屬材料作為自旋注入源，理論上是十分有效的，但目前尚未實(shí)現(xiàn)，另一個(gè)方法是研制具有自旋極化的磁性半導(dǎo)體，即所謂稀磁半導(dǎo)體DMS（Dilute magnetic semiconductors），這樣阻抗匹配問題就迎刃而解，當(dāng)今半導(dǎo)體工藝十分成熱，一旦自旋極化電子能方便地注入到常規(guī)半導(dǎo)體中，自旋半導(dǎo)體電子學(xué)器件必將迅速發(fā)展。 對(duì)p型的半導(dǎo)體，摻入5%Mn，考慮通過正穴為中介，RKKY互作用而產(chǎn)生鐵磁性交換作用，理論上估算居里溫度如圖6所示。endprint

通常稀磁半導(dǎo)體的制備是采用少量3d過渡族元素（Mn，F(xiàn)e，Ni，CoV，Cr等）摻入到半導(dǎo)體材料中而產(chǎn)生鐵磁性，但不過多地影響其半導(dǎo)體特性，有關(guān)研究工作甚多，例如：在CdTe，ZnTe，HgTe，CdSe，HgSe，CdS等Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體中，s，p電子參與輸運(yùn)過程，如3d過渡族元素?fù)饺肫渲?，由于s，p電子與d電子的互作用，可望獲得鐵磁性.如Zn1-xCrxTe薄膜，其居里溫度可超過室溫.Schmidt and Molenkamp通過Zn0.91Be0.06Mn0.03Se稀磁半導(dǎo)體將自旋極化電子注入到GaAs半導(dǎo)體中，構(gòu)成發(fā)光二極管，通過發(fā)射光的偏振性的測(cè)量，確定自旋注入的效率可達(dá)90%，從而論證了稀磁半導(dǎo)體是高效率的自旋極化注入體。

Ⅲ-Ⅴ族化合物是十分重要的半導(dǎo)體材料，例如：GaAs，InAs，GaN，InN，AlP等，這些半導(dǎo)體材料在光電子器件中已得到廣泛的應(yīng)用，自然人們十分感興趣研究其稀磁半導(dǎo)體， 已廣泛報(bào)道的是以Mn摻入獲得鐵磁性， 如（GaMn）As， （InMn）As等，由于Mn 的離子半徑為1.40 ?大于Ga的離子半徑（1.22-1.38?），Mn在GaAs中固溶度很低，為了提高固溶度，在制備上常采用低溫非平衡生長(zhǎng)的分子束工藝. 2003年報(bào)道的最高居里溫度為160K。

Ⅲ-族元素的氮化物，與磷化物，如GaN，InN，Gap，AlP等是屬于寬禁帶的半導(dǎo)體材料，其三元與四元化合物是十分重要的光電子材料，摻入Mn后可生成相應(yīng)的稀磁半導(dǎo)體.第四族元素，如Ge，Si是微電子工業(yè)十分重要的基礎(chǔ)半導(dǎo)體材料，它的稀磁半導(dǎo)體當(dāng)然是更為引人矚目。

Mn在Ge，Si中的固溶度都是十分低的，而居里溫度通常是正比例于Mn的摻入濃度，為了增加Mn在Ge中的固溶度，可采用非平衡的生長(zhǎng)工藝，為了避免Mn的析出降低基片的溫度是十分有效的途徑.Park等人將MnxGe1-x（100）單晶薄膜生長(zhǎng)在Ge與GaAs（001）的基片上，其居里溫度隨Mn離子濃度的增加而升高，當(dāng)x=0.006時(shí)，Tc為116K.2002年Cho等人成功地提高M(jìn)n在Ge中的濃度，x=0.06，居里溫度提高到28oK。

Si是主流微電子工業(yè)的基礎(chǔ)半導(dǎo)體材料，它的實(shí)用意義是不言而喻的，由于Mn在Si中的固溶度甚低，很少有Si的稀磁半導(dǎo)體研究的，F(xiàn).M.Zhang采用非平衡生長(zhǎng)的工藝，成功地制備成SiMn的稀磁半導(dǎo)體， Mn在Si中的濃度估計(jì)為x=0.05，居里溫度超過400K，由于Si基半導(dǎo)體的制備工藝已達(dá)到爐火純青的階段，Si基稀磁半導(dǎo)體的研制成功將促進(jìn)自旋半導(dǎo)體電子學(xué)器件向?qū)嵱没较虬l(fā)展。

自旋電子學(xué)的發(fā)展表明：材料與器件二者很難分開，不同納米薄膜材料，采用不同的堆砌方式，構(gòu)成不同的納米結(jié)構(gòu)，就可以產(chǎn)生不同的性能，構(gòu)成不同的功能器件，因此在納米結(jié)構(gòu)器件中，材料與器件是無(wú)法分離的，與宏觀材料與器件可以分離是有所不同的。此外，基礎(chǔ)與應(yīng)用研究以及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)也應(yīng)當(dāng)形成一個(gè)有機(jī)的整體。

從物理的觀點(diǎn)，在微電子器件的設(shè)計(jì)中增添自旋這一自由度，器件的性能除調(diào)控電荷外尚可調(diào)控自旋，今后，必將涌現(xiàn)出難以估量的以自旋為基的新型器件。目前科學(xué)家可預(yù)見的應(yīng)用領(lǐng)域羅列如下：

1.自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）

2.自旋發(fā)光二極管（LED）

3.自旋共振隧穿器件（RTD）

4.運(yùn)行在千兆赫頻段的光開關(guān)

5.量子計(jì)算機(jī)與通信用的量子比特

6.調(diào)制器，編碼器，解碼器等

半導(dǎo)體自旋電子學(xué)：基于在半導(dǎo)體器件中引入極化電子自旋流，調(diào)控自旋，執(zhí)行信息的輸運(yùn)、控制，以及存儲(chǔ)與處理等功能。其前途方興未艾，是自旋電子學(xué)的重要的核心部分，目前重點(diǎn)在自旋源的產(chǎn)生與自旋注入的關(guān)鍵技術(shù)突破，發(fā)展方向?yàn)?磁-光-電一體化的新功能器件以及開展半導(dǎo)體量子自旋電子學(xué)研究，發(fā)展固體量子信息處理器件。

三、分子自旋電子學(xué)

高分子材料主要是碳?xì)浠衔?，原子序?shù)Z低，而自旋-軌道耦合正比例于z4，因此耦合弱，導(dǎo)致自旋弛豫時(shí)間長(zhǎng)，可大于10μs.比無(wú)機(jī)材料高一個(gè)量級(jí)，此外高分子材料價(jià)廉，化學(xué)柔軟性佳，目前已開拓為自旋電子學(xué)研究的新領(lǐng)域。首先在La0.67Sr0.33MnO3/T6/La0.67Sr0.33MnO3nm結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)室溫30%的磁電阻效應(yīng)，其中，T6（sexithienyl）為有機(jī)半導(dǎo)體（aπ-conjugated rigid-rod oligomer），在T6中的自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度約為200nm. 繼后，采用π–共軛有機(jī)半導(dǎo)體（OSEs），Alq3-8-hydroxy-quinoline aluminium，在有機(jī)自旋閥中作為磁性層中間的間隔層，構(gòu)成（LSMO（100nm）/Alq3（130nm）/Co（3.5nm））夾層膜的有機(jī)自旋閥構(gòu)型中發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)（OMAR），其構(gòu)型見圖7，其中LSMO-La0.67Sr0.33MnO3，同圖顯示了其磁電阻效應(yīng)，在11K溫度下磁電阻效應(yīng)約為40%。

Alq3在有機(jī)光躍遷二極管（OLED）中已廣泛應(yīng)用，在OLED中，大量的電子，空穴處于無(wú)躍遷發(fā)光的自旋三重態(tài)，以致發(fā)光效率不高，如采用自旋極化電子注射到有機(jī)層中，可改變載流子在單重態(tài)與三重態(tài)中的比例，通過自旋單重態(tài)可產(chǎn)生電子躍遷發(fā)光，從理論上分析，可提高發(fā)光效率25%. 自旋極化效應(yīng)除在光電子器件中可望得到應(yīng)用外，各類有機(jī)自旋器件（OSPDs），如磁控的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（OFETs），薄膜晶體管，在有機(jī)的雙極器件中發(fā)現(xiàn)高的磁場(chǎng)誘發(fā)的電流等。

此外，拓?fù)浣^緣體，石墨烯、碳納米管等自旋電子學(xué)也是值得關(guān)注的研究新領(lǐng)域。

四、自旋電子學(xué)器件產(chǎn)業(yè)化簡(jiǎn)介

1.磁電阻效應(yīng)傳感器

巨磁電阻效應(yīng)為測(cè)量微弱磁信號(hào)提供了一個(gè)新穎的方法，尤其是TMR的應(yīng)用，可以迅速測(cè)定微弱磁信息，早期GMR讀出磁頭很快地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)中磁硬盤，繼后，TMR讀出磁頭導(dǎo)致硬盤的記錄密度呈百、千倍的增加，使硬盤從被光盤淘汰的邊緣中起死回生，重新成為信息儲(chǔ)存的主流儲(chǔ)存器，其產(chǎn)值大于300億美元。同樣的可用于測(cè)量與控制位移與轉(zhuǎn)角，用于數(shù)控機(jī)床，汽車，家用電器等，廣泛地用于軍、民工業(yè)領(lǐng)域。常用的幾類磁傳感器性能對(duì)比，見表1.endprint

一些主要磁傳感器的產(chǎn)值：

磁敏傳感器：～60億美元

信號(hào)隔離耦合器～ 35億美元

計(jì)算機(jī)硬盤：>300億美元，由于NAND等固態(tài)存儲(chǔ)器的競(jìng)爭(zhēng)，磁硬盤的產(chǎn)量將有所下降

MRAMs >1000 億美元

利用自旋轉(zhuǎn)移力矩在實(shí)驗(yàn)室已研發(fā)成功寬頻帶可調(diào)的固體微波振蕩器。除利用自旋轉(zhuǎn)移力矩（STT）效應(yīng)、其他物理場(chǎng)，如：激光場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、熱場(chǎng)（溫度場(chǎng)）或微波場(chǎng)調(diào)控自旋等多種物理場(chǎng)的調(diào)控是值得重視的研究?jī)?nèi)涵，未來(lái)自旋電子器件：如自旋晶體管，寬帶微波振蕩器，量子計(jì)算機(jī)等將會(huì)相繼問世。

2.自旋芯片

我們已進(jìn)入到互聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)的時(shí)代，必須要有大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與信息的高速處理，由于量子效應(yīng)的限域，半導(dǎo)體的芯片的發(fā)展面臨著摩爾定律的終結(jié)，預(yù)計(jì)2020年我們將告別摩爾定律，如圖8所示，那么后摩爾定律時(shí)代的計(jì)算機(jī)芯片將會(huì)是什么原理與構(gòu)型呢？

當(dāng)前計(jì)算機(jī)的芯片采用0.1的二進(jìn)位的信息儲(chǔ)存、運(yùn)算，0與1在物理上代表二個(gè)不同的穩(wěn)定的狀態(tài)，如現(xiàn)在的半導(dǎo)體的芯片采用電荷存在與否代表1與0，另一種可能是利用電子自旋，自旋是矢量，從而可利用自旋朝上與朝下二種自旋取向來(lái)制備自旋芯片，因此本質(zhì)上自旋芯片具有非易失性，低能耗，高速度，抗輻射，長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)。

20世紀(jì)50年代，利用鐵氧體小磁環(huán)作為存儲(chǔ)單元，采用電流重合法制備成原始的電子計(jì)算機(jī)芯片，繼后，用晶體管取代磁芯，構(gòu)成半導(dǎo)體芯片一直沿用到現(xiàn)在，基本結(jié)構(gòu)沒有變化，歷史的發(fā)展出人意料，芯片又將進(jìn)入到一個(gè)新的輪回，如利用TMR隧道結(jié)作為存儲(chǔ)單元取代50年代的磁芯，就可制成原始的磁隨機(jī)存儲(chǔ)器芯片（MRAM），它不僅具有半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件的功能而且還有掉電保護(hù)即非易失性的功能，抗高能粒子的輻射性，由于尺寸大，密度低，能耗高難以與半導(dǎo)體芯片相競(jìng)爭(zhēng)，自從實(shí)現(xiàn)極化自旋流調(diào)控TMR隧道結(jié)的自旋取向后，STT-MRAM走向了應(yīng)用的階段，他與傳統(tǒng)半導(dǎo)體芯片，DRAM，SRAM，以及FLSH的性能對(duì)比如表2。

由表可見：自旋芯片（各種模式的MRAM的統(tǒng)稱）與現(xiàn)有的半導(dǎo)體芯片優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如下：

自旋芯片優(yōu)點(diǎn)：非易失性；抗輻射性；高集成度；高運(yùn)算速度；低功耗；長(zhǎng)壽命。與DRAM相比它具有非易失性；抗輻射性；高運(yùn)算速度。與Flash相比它具有低功耗；長(zhǎng)壽命；存取速度比Flash快千倍。此外，除做內(nèi)存外，尚可做外存，與硬盤相比，自旋芯片沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分，數(shù)據(jù)處理速度快，能耗低，但儲(chǔ)存密度目前尚比硬盤低，

自旋芯片已經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段；2006年前利用隧穿磁電阻效應(yīng)（TMR），采用電流重合法，用電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)調(diào)控自旋，制成低密度的第一代自旋芯片-MRAM； 2006年后利用自旋極化電流調(diào)控自旋，功耗下降，存儲(chǔ)密度提高，成為第二代自旋芯片-STT-MRAM；目前研發(fā)電場(chǎng)調(diào)控自旋，功耗將進(jìn)一步下降的第三代自旋芯片-MeRAM，可望在近年取得突破，從而進(jìn)入到商業(yè)化的階段；此后，自旋芯片將與半導(dǎo)體芯片進(jìn)行市場(chǎng)化的競(jìng)爭(zhēng)，為了進(jìn)一步減少尺寸、降低能耗，目前科學(xué)家正在研究薄膜中的磁渦旋、磁滴子、磁性斯格明子等具有手性特征的特殊磁結(jié)構(gòu)，預(yù)期可以在較低的磁場(chǎng)下進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而進(jìn)一步降低功耗，提高運(yùn)算速度。

世界先進(jìn)國(guó)家都將自旋芯片作為高技術(shù)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)加以重視，具有經(jīng)濟(jì)與國(guó)防雙重的重要性。自旋電子學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用，未來(lái)將引發(fā)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理技術(shù)的革命。

自旋芯片兼具SRAM的高速度、DRAM的高密度和Flash的非易失性等優(yōu)點(diǎn)，其抗輻射性尤為軍方所青睞，原則上可取代各類存儲(chǔ)器的應(yīng)用，成為未來(lái)的通用存儲(chǔ)器。自旋芯片屬于核心高端芯片，是科技關(guān)鍵核心技術(shù)，可軍民兩用，具有高達(dá)上千億美元的巨大市場(chǎng)前景，有可能成為后摩爾時(shí)代的主流芯片，這對(duì)于提升國(guó)家的高科技水平和增強(qiáng)國(guó)防安全意義重大，國(guó)外不會(huì)將高端科技輕易輸入中國(guó)，國(guó)家應(yīng)予以高度重視和支持。近十年來(lái)，國(guó)外主要芯片公司制備與應(yīng)用自旋芯片情況概括如下：2007年，Honeywell開發(fā)出1Mbit的非易失性抗輻射MRAM芯片；IBM、TDK合作開展STT-MRAM研究并計(jì)劃在未來(lái)生產(chǎn)高容量MRAM芯片；2008年，日本衛(wèi)星上全面采用Freescale公司的MRAM產(chǎn)品替代SRAM和Flash存儲(chǔ)器；Samsung和Hynix合作研究STT-MRAM；Toshiba公司宣布研制高容量的1Gbit的STT-MRAM芯片的進(jìn)展，F(xiàn)reescale將MRAM業(yè)務(wù)拆分出來(lái)組建了新公司“Everspin”；Grandis公司獲得1500萬(wàn)美元美國(guó)政府資助進(jìn)行STT-MRAM研究；2009年，法國(guó)政府宣布投入420萬(wàn)歐元資助研制自旋電子可編程邏輯器件；韓國(guó)政府與Hynix 和 Samsung共同投資5000萬(wàn)美元開發(fā)STT-MRAM；2010年，日本研究人員開發(fā)出一種新的TMR結(jié)構(gòu)在原理上可以使STT-MRAM容量達(dá)到10Gbit；Everspin推出了16Mbit MRAM芯片產(chǎn)品；2013年歐洲A350飛機(jī)采用自旋芯片控制系統(tǒng)。3013年“Everspin”全球銷售副總裁Sewell回答日經(jīng)記者提問時(shí)，宣稱2-4年內(nèi)公司將量產(chǎn)28nm，1Gbit的STT-MRAM 自旋芯片。據(jù)可靠消息，臺(tái)積電和MagIC公司明年擬將128M或512M STT-MRAM嵌入式芯片應(yīng)用于i-Watch 之中。有望帶來(lái)民用產(chǎn)品和醫(yī)療監(jiān)護(hù)及其互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域上的一次潛在的大規(guī)模應(yīng)用。如待國(guó)外進(jìn)入批量生產(chǎn)，專利全面覆蓋時(shí)，我們?cè)俳M織研發(fā)與生產(chǎn)，為時(shí)已晚唉。

2012年我國(guó)進(jìn)口半導(dǎo)體芯片約1920億美元（其中包含了大量的存儲(chǔ)器芯片），超過石油進(jìn)口1200億美元，如我們當(dāng)前不重視自旋芯片的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，將來(lái)必將受制于國(guó)外，重走半導(dǎo)體芯片落后的覆轍。出于中國(guó)科學(xué)工作者的責(zé)任心，特懇請(qǐng)國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)從國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略高度來(lái)關(guān)注、落實(shí)與組織自旋芯片的生產(chǎn)與研發(fā)，機(jī)不可失，時(shí)不再來(lái)。endprint

結(jié)束語(yǔ)

自旋電子學(xué)正處于快速的發(fā)展時(shí)期，方興未艾。材料是器件的基礎(chǔ)，自旋電子學(xué)材料源于現(xiàn)有材料，經(jīng)過納米組裝后，推陳出新，脫胎換骨，使材料與器件成為一體，一躍而成為功能材料中的新葩。

自旋電子學(xué)可定義為：與自旋相關(guān)的電子學(xué)，以往的電子學(xué)僅僅利用了電子具有“電荷”這一自由度，用電場(chǎng)調(diào)控電子的運(yùn)動(dòng)，從而制備出從二極管到超大規(guī)模集成電路，奠定了人類社會(huì)信息化的基礎(chǔ)。如今，可以用自旋極化電流或磁場(chǎng)等調(diào)控固體中的自旋取向，在電子學(xué)器件中增添了“自旋”自由度，從物理的觀點(diǎn)看來(lái)，增加一個(gè)新的可調(diào)控的自由度，必將呈現(xiàn)許多新的物理效應(yīng)，從而開拓出難以預(yù)計(jì)的新器件。自旋不僅在電子學(xué)占有一席之地，自旋在催化領(lǐng)域、生物領(lǐng)域以及生命科學(xué)等領(lǐng)域中，都已引起了關(guān)聯(lián)與重視，因此，假如將20世紀(jì)比擬為“電荷”的世紀(jì)，那么21世紀(jì)有可能成為“自旋”的世紀(jì)，在微電子器件應(yīng)用中自旋流有可能取代電荷流。電子學(xué)自旋的今天與明天，值得關(guān)注。自旋電子學(xué)已成為本世紀(jì)最富有活力的研究領(lǐng)域之一。

都有為，中國(guó)科學(xué)院院士，南京大學(xué)物理系教授，博士生導(dǎo)師。中國(guó)物理學(xué)會(huì)磁學(xué)專業(yè)委員會(huì)副主任，中國(guó)電子學(xué)會(huì)應(yīng)用磁學(xué)專業(yè)委員會(huì)委員，中國(guó)電子學(xué)會(huì)會(huì)士，中國(guó)顆粒學(xué)會(huì)超微顆粒專業(yè)委員會(huì)副主任，中國(guó)儀表材料學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)等職，曾任南京大學(xué)納米科學(xué)技術(shù)研究中心主任。國(guó)家95攀登計(jì)劃“納米材料科學(xué)”預(yù)選計(jì)劃“納米材料科學(xué)”首席科學(xué)家等職。

在南京大學(xué)組建了納米磁性科研組，培育了博士生40余人，其中二人分別獲2000與2003年度全國(guó)優(yōu)秀博士論文獎(jiǎng)。曾任臺(tái)灣成功大學(xué)客座特聘講座教授，澳門科技大學(xué)榮譽(yù)教授，浙江大學(xué)求是講座教授等20余所高校的客座教授 。曾任國(guó)際磁性材料、物理會(huì)議（ISPMM）2005顧問；第一屆國(guó)際先進(jìn)磁學(xué)材料與應(yīng)用會(huì)議（1stISAMMA）2007常設(shè)指導(dǎo)委員會(huì)委員等職。長(zhǎng)期從事磁學(xué)和磁性材料的教學(xué)和研究工作，開展了磁性、磁輸運(yùn)性質(zhì)與材料組成、微結(jié)構(gòu)關(guān)系的研究。他與科研組的師生共發(fā)表SCI論文800余篇，被SCI論文引用一萬(wàn)余次，國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)刊物論文200余篇，獲國(guó)家發(fā)明專利24項(xiàng)，編著（含合編）書十本。獲國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)、江蘇省科技一等獎(jiǎng)各一項(xiàng)，省部級(jí)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)4項(xiàng)等，均為第一獲獎(jiǎng)人。獲2007年度何梁-何利科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)。

除基礎(chǔ)研究外，他還積極推動(dòng)科技成果轉(zhuǎn)化，與磁性材料企業(yè)界保持良好的關(guān)系。endprint