单自旋金属材料

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1、实用标准文案單自旋金屬材料的性質與應用文／張慶瑞、衛榮漢摘要單自旋金屬(half-metal)的概念首先由deGroot等人所提出。這種新材料的特性在於自旋向上與自旋向下的電子具有不同的導電特性。一自旋方向的電子呈現金屬的導電特性。而另一自旋方向則呈現半導體或絕緣的特性。而在這種具有百分之百自旋極化的材料中，所有的導電電子自旋皆朝同一方向。這種同時具有金屬與絕緣體能帶特性的材料可以被視為一種新型態的材料，而它許多特有的性質也被認為在記憶體元件及自旋電子學的應用上極具潛力。精彩文档实用标准文案一、緣起傳統的電子元件只使用電子的電荷，而忽略了電子的自旋特性。１９８８年，由於巨磁阻(g

2、iantmagnetoresistance,GMR)的發現，利用到電子自旋特性的自旋電子學開啟了序幕。在巨磁阻的多層結構中，兩層鐵磁性材料中間夾著一層一般金屬如銅，利用這兩層磁性材料彼此之間磁化方向的異同，電子的自旋相依散射(spin-dependentscattering)會造成磁阻的巨大變化。在鐵磁與一般金屬的不互溶顆粒狀合金(granularalloys)中，譬如鈷和銀，也可以觀察到巨磁阻效應。而利用反鐵磁偶合及巨磁阻所形成的自旋閥(spin-valve)結構，目前已應用在硬碟的讀頭中。在１９９５年，兩層鐵磁性材料中間夾著一層絕緣層的結構在室溫底下被發現具有比巨磁阻還要大的

3、穿隧磁阻(tunnelingmagnetoresistance,TMR)的現象[1]。穿隧磁阻的大小是由電子在鐵磁層的極化率所決定。　　　　　（1）　　　其中Ｒｐ及Ｒａ分別為兩鐵磁層的磁化平行及反平行時的電阻，而P１及P２分別為兩鐵磁層的自旋極化率(spinpolarization)。由式中可以看出當自旋極化率愈高，穿隧磁阻的變化率也愈大。一般的鐵磁材料，其自旋極化率通常只介於百分之三十到五十之間[2,3]，因此，為了提高穿隧磁阻的變化率，尋找一種具有高自旋極化率的磁性材料是非常重要的。近些年來，單自旋金屬(Half-metal)的出現讓基礎物理與應用均引起一些重大影響。單自旋金

4、屬不但有奇特地物理性質更具有理想而完美的極化率，這些特色吸引許多科學家投入新的科學競技場中。目前在中文翻譯中美中不足的是過去semiconductor被譯成半導體，而semi-metal也對應的譯成“半金屬”。如今真的Halfmetal精彩文档实用标准文案出現之後，半金屬的正名問題在中文譯名也就出現了。本文暫不理會此一複雜的譯名卡位問題，直接以意譯的單自旋金屬代表halfmetal。二、自旋極化率通常我們將自旋極化率定義成:（2）其中，Nup和Ndown分別為費米能(Fermienergy)附近的自旋向上和向下電子的態密度。在晶系固體(crystallinesolid)中我們常用

5、能帶結構(bandstructure)以表示電子其能量與動量之間的關係。一般來說，自旋向上與自旋向下的電子都有各自的能帶結構。但對於非磁性材料，向上和向下的能帶結構通常是相同的以至於我們可以忽略自旋的特性。圖一所示為非磁性金屬、磁性金屬以及磁性單自旋金屬的能帶結構。單自旋金屬的概念首先由deGroot等人所提出[4]。在非磁性金屬的能帶結構中，在費米能階附近自旋向上和自旋向下的狀態數目是相等的，使得自旋極化率為零﹔而在磁性金屬中，由於能帶結構的差異造成傳導電子中自旋向上的狀態數目大於自旋向下的狀態數目，導致自旋極化率有一個非零的量值。對於單自旋金屬材料來說，只有自旋向上的電子能帶

6、是部分填滿的，而自旋向下的電子能帶則完全填滿，並且與更高的能帶間存在一個能隙(bandgap)，此時費米能位於自旋向上的能帶中，同時也位於自旋向下的能隙中。也因此只有自旋向上的電子才可以導電，此時自旋極化率為百分之百[4]。另外，在單自旋金屬中，這種自旋向下電子的能隙可以防止自旋翻轉(spinflip)的發生，這是因為在能隙的地方沒有任何的態可以存在以至於自旋向上的電子需額外吸收能量才能翻轉為自旋向下的電子。圖一：各種材料的能帶示意圖。(a)非磁性金屬(b)一般磁性金屬(c)單自旋金屬。三、一些磁性單自旋金屬材料簡介表一列出一些磁性單自旋金屬的特性。在錳化物中，原子內的電子交換作

7、用造成局域電子的平行排列以及自旋向下的電子從3d軌域排開，這形成了磁性單自旋金屬產生的條件。與赫斯勒(Heusler)化合物相反，半赫斯勒(semi-Heusler)化合物具有空的晶格位置，這使得3d軌域的波函數之間的重疊較小，以及導致能隙的產生。除了半赫斯勒化合物之外，CrO2以及(La1-xSrx)MnO3鐵磁性錳化物(manganites)都具有磁性單自旋金屬的特性。然而，這些材料在高溫底下的順磁態是非常不同的，並且有可能會影響到它們對熱的相依性。此外，Fe3O4被視為一種