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欢迎来到东南大学物理学院磁性纳米结构和磁电子学(MNS) 研究小组主页。

研究兴趣:

近年来主要研究方向为微米-纳米结构的磁性和磁电子学。分成3个方面:

自旋电子学材料以及新效应。

1. 磁性/半导体杂化结构的磁性和界面效应;
2. 高自旋极化率、大阻尼因子的软磁材料的开发和改性;

自旋电子学是目前纳米科学领域最活跃和最赋有挑战性的方向之一,无论在基础研究还是工业应用上都非常重要。众所周知,电子既有电荷也有自旋,传统的电子学只考虑电子的电荷,与其自旋无关。自旋电子学则利用电子电荷流动和自旋的相互影响,使电子学的功能更加丰富多彩。自旋电子学起始于金属纳米多层膜的巨磁电阻的发现和在传感器和磁存储上的重要应用,从而获得2007 年诺贝尔奖。金属自旋电子学,作为第一代自旋电子学,的巨大成功引起科学家们开始了半导体自旋电子学研究。当前,微电子学是基于半导体基础上的,半导体集成电路已形成一整套成熟的制备技术,成为微电子学和信息技术和工业的基础。将“自旋”极化载流子引入到半导体中,利用电子电荷流动和自旋的相互影响,将可能直接发展微电子学的新的功能,使其更加丰富多样。现代信息操作的三个功能是分离进行的。在个人计算机中,信息处理、逻辑运算主要是在中央处理器中由半导体集成电路完成的;信息存储主要在硬磁盘中;信息传输是由金属线等来实现的。半导体自旋电子学的发展希望能够在半导体材料器件中实现信息操作的三个基本功能。这将是微电子学和信息技术的革命性的变革。与早期的全金属GMR 器件比较,我们把其设想为第二代自旋电子学,提出一个新的名称,杂化自旋电子学,集成磁性材料和半导体器件利用自旋控制来实现半导体更多功能的特性。将“自旋”极化载流子引入到半导体中,有两种最基本的方案:直接在半导体中掺杂磁性元素,发展高居里温度的磁性半导体;其次就是铁磁/半导体的杂化结构,从铁磁体将自旋电流注入到半导体,即自旋注入。

自旋相关器件及其量子效应探索

1. 电自旋注入器件(如Spin-FET)的设计和研发;
2. 纳米接触器件和电流驱动畴壁位移研究:
3.自旋相关器件的设计、制备和研究

半导体自旋电子学可以划分为半导体磁电子学和半导体量子自旋电子学两个主要研究方向。前者试图通过使用磁性半导体或者半导体与磁性材料的异质结构将磁功能结合到非磁性半导体器件或电路中,换言之,将磁与电和光结合到一起,形成所谓的金三角。人们期望通过半导体磁电子学的研究得到多功能、高性能、超高速和低功耗的半导体自旋器件,例如自旋场效应晶体管(Spin-FET)、自旋发光二极管(Spin-LED)、自旋共振磁隧道结(Spin-RTD)、光隔离器(Optical Isolator)、磁传感器(Magnetic Sensor)和非挥发存储器(Nonvolatile Memory)等。半导体量子自旋电子学则致力于利用半导体中自旋的量子相干过程实现固态量子计算和量子通讯。

1996年,Slonczewski and Berger 通过理论计算预测出,当自旋极化电流流过纳米尺寸的铁磁薄膜或金属磁性多层膜中时,极化电流与多层膜中的散射会带来由极化电子到铁磁薄膜磁矩的自旋角动量转移,从而对铁磁薄膜磁矩产生自旋矩,引起铁磁薄膜磁矩的不平衡,使之发生转动,进动甚至使磁化方向翻转。自旋角动量转移效应引起了人们越来越多的关注。这种效应会带来所谓的新一代电流驱动磁性存储或逻辑器件,例如运用自旋角动量转移效应进行数据写入的磁随机存储器、磁纳米线跑道存储器以及电流驱动的微波发生器、逻辑门器件等等。

自旋相关器件还可运用到生物医学领域,如利用电流驱动畴壁移动效应和隧穿效应,试图做成纳米毛细孔(Nano-pore)以识别DNA序列;当然更多的自旋相关传感器可用来定向治疗,释放药物等功能。

纳米磁性以及自组织生长新方法

1. 纳米磁性颗粒、纳米线的自组织生长和组装
2. 自组装磁性阵列和超晶格的研究
3. Matamaterial在光波段的结构设计和磁性研究

纳米是长度单位,大小为十亿分之一米(10-9m),当材料的微粒小到纳米尺寸时,材料的性能就会发生显著变化。在纳米世界,许多“异想天开”将可能成为现实。纳米机器人可注入人体血管进行全身检查;运用碳纳米管制造太空升降机将是人类移民外星球最理想的工具;纳米卫星与微型飞船,原子精密度的计算机等,将像雨后春笋般的涌现。小尺寸超微颗粒的磁性比大块材料强许多倍,大块的纯铁矫顽力约为80A/m,而当颗粒尺寸见效到20nm以下时,其矫顽力可增加1000倍,若进一步见效其尺寸,大约小于6nm时,其矫顽力反而降低到零,表现出所谓超顺磁性;准零维磁性纳米粒子早在上世纪50年代就已应用;宇航员头盔的密封是纳米磁性材料的最早重要应用之一----磁性液体;1988年由非晶态FeSiB退火通过掺杂Cu和Nb控制晶粒成为新型的纳米晶软磁材料;1988年发现了磁性纳米多层膜的巨磁电阻效应并由此产生一门新兴学科------自旋电子学;1993年理论表明纳米级的软磁和硬磁颗粒复合将综合软磁Ms高,硬磁Hc高的优点获得磁能级比现有最好NdFeB高一倍的新型纳米硬磁材料;二十一世纪以来利用模板生长一维磁性纳米丝的研究很活跃,非模板法磁场诱导生长的纳米线由于其高产量更加取胜;最近操纵非磁性纳米结构,可以在光波段下显示磁性,这就是Matamaterial。

许多生物体内就有天然的纳米磁性粒子,如磁性细菌,鸽子,海豚,石鳖,蜜蜂,人的大脑等,这里有大量的课题需要研究;1975年即发现向磁性细菌---体内有一排磁性纳米粒子,是否是导航作用?蜜蜂腹部的磁性纳米颗粒,是否可以对地磁场的准确定位?人类大脑中平均含有20微克(约500万粒)的磁性纳米粒子?是否与进化,成长,某些脑功能的关系?石鳖齿舌中含有大量一维纳米磁性丝,其生物功能未必只是加强齿舌的耐磨性,有趣的是,它们具有天然的纳米丝生长模板。由此可见,纳米科学的大发展从总体上讲只有约20年历史,但磁性纳米材料的研究和应用已有50年历史。

由人工组装合成的纳米结构的体系称为纳米组装体系,是以纳米微粒以及它们组成的纳米丝和管为基本单元,在一维、二维和三维空间按照人们的意愿进行组装排列,整个体系具有人们所期望的特性,因而该领域被认为是材料化学和物理学的重要前沿课题。更令人感兴趣的是不通过人为组装的自组装,其形态和尺寸可以超出人们的想象。

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