电子自旋复习题

1.电子自旋的基本特征（掌握）(1)电子不是一个质点，它存在一种内秉的运动,即绕自身轴旋转。……自旋，相应地有自旋角动量和自旋磁矩。(2)电子自旋角动量S的大小类似于“轨道”角动量为s称为自旋量子数，s=1/2。(3)电子自旋角动量在空间相对外磁场方向的取向也是空间量子化的。因此，电子的自旋磁矩也是空间量子化的，也有两个取向。（4）电子的自旋运动是一种内部“固有的”运动，其本质目前还不清楚。2.简述自旋电子学发展历程,最新的发展趋势是什么？1988年,GMR效应的发现1991年，Parkin利用磁控溅射方法制备了巨磁阻效应Co/Cu多层膜1992年,Dieny提出了自旋阀结构，使GMR材料的应用研究迈进了一大步1992年，颗粒膜巨磁阻效应和钙钛矿结构中的庞磁阻效应相继被发现1995,发现隧道结中的隧道磁阻效应;提出自旋阀晶体管(SVT)的概念1996年IBM第一个GMR读磁头上市(Stuart,parkin)2000TDK公司试制TMR磁阻磁头成功2002,Parkin提出隧道结自旋晶体管(MTT)2003年，IBM-Infineon推出磁性随机存储器MRAM或者1）磁电子学：GMB，TMB，磁头，MRAM，AMR2）半导体自旋电子学：SUT，NTT3）分子自旋电子学：无机，金属，合金，有机磁性材料向有机材料方向发展有望有所突破。铁磁-半导体集成3.解释磁性多层膜中巨磁阻效应产生的机理（1）Mott二流体模型;根据mott二流体模型,自旋向上和自旋向下电子可以看作是在同一个空间的两个相对独立的通道中输运,其电导相当于两个通道电导的并联.(2)自旋相关散射机理：当自旋电子在纳米磁性多层膜中输运时,其所受到的散射强度会因为其自旋方向的不同而不同,这叫做电子的自旋相关散射,它是产生巨磁阻效应的根本原因.（3）在磁性多层膜中,当相邻铁磁层的磁化强度矢量反平行排列时,无论是自旋向上还是自旋向下电子,都会遭受较强的散射,因此总体来说,系统的电阻较高。而当相邻铁磁层的磁化强度矢量平行排列时,一个自旋态的电子遭受很强的散射，但是另一个自旋态的电子却受到非常弱的散射,相当于构成了一个短路，因此总体来说系统为低电阻态。所以，通过外加磁场改变铁磁多层膜的磁化状态，就可以得到磁阻的巨大变化，这就是巨磁电阻效应。可以采用四探针法测量。4.自旋阀材料的基本结构和典型效应:解释各层的作用,理解巨磁阻曲线所对应的自旋阀的磁化状态自旋阀(Spinvalve,SV)由铁磁层（自由层）/隔离层(非磁性层)/铁磁层（钉扎层）/反铁磁层组成。传导电子发生自旋相关散射；隔离层厚度小于电子自旋扩散长度。)1s(sSS5.巨磁阻磁头(1)磁阻磁头的结构示意图,及TFI磁头和MR磁头各自的功能(2)巨磁阻磁头数据读出的工作原理磁阻磁头的结构：MR磁头是由TFI磁头和MR读出磁头复合而成，TFI磁头只用作记录头，MR磁头用作读出磁头6.平面磁记录和垂直磁记录介质(1)要求符合的条件(2)举例常见的磁记录介质材料7.Julliere的公式及其简单计算应该分母为+8.磁性存储器(1)磁性随机存储器（MRAM）相对于其他存储器的优点(2)MRAM进行数据读出的基本过程和机理分析(3)基于隧道结的MRAM目前还存在的问题和挑战MRAM不仅具有SRAM存取速度快、工作电压低，DRAM重复擦写次数多的优点，而且具备FLASH的非易失性，并且由于其抗电磁干扰、抗辐射、大容量存储等优势，在计算领域和军事信息领域具有重大的应用价值。MTJ-MRAM数据读取过程在磁性存储器数据读出过程中,先是在自旋阀单元中通一个较小的恒定电流(如1mA)作为读出电流.然后在字线中通一个先正向后负向的脉冲电流,该电流提供一个从正向到负向的磁场作用在存储单元上.存储单元的电阻发生变化,根据读出电压的变化趋势就可以读出数据为”1”或”0”。数据的读出基于巨磁阻效应.即当读出层和存储层磁化方向平行时,表现为低电阻,而读出层和存储层磁化方向反平行时,表现为高电阻.这样.当所加磁场由正向变为负向时,自旋阀读出层磁化方向也由向右传到向左,如果读出电压为低电平到高电平,根据巨磁阻效应,说明存储层磁化方向为向右,存储数据为”1”,同样,如果读出电压为高电平到低电平,则说明存储层磁化方向向左,存储数据为”0”.HybridFerromagnetSemiconductor:ProblemswithCross-Talk(串扰)BetweenCellsCompatable(匹配)withStandardCMOSProcessingMagneticTunnelJunctionFabricationRequirementsCauseProblemswithOperatingMarginsandYieldsNotCompatablewithStandardCMOSProcessingAll-MetalSpinValveLowImpedance,LowReadoutVoltage(信噪比低)NotCompatablewithStandardCMOSProcessingCurrentChallengesForMTJ-MRAM：Interference（干扰）-Interferencebetweenadjacentcells(单元间干扰)-Disturbancebydigitlinecurrenttoadjacentlinecurrent-Theeffectofheatcausebitflip(散热不良导致的信息丢失)Manufacturing（制备）AschipsgetsmallertheindividualcircuitsholdlessofthechargeRisksofleakingcurrentandotherproblemsHardtointegratewithothersilicon-basedchipsTheresistanceofthemagnetdevicevariesexponentiallywithitthicknessUniformity（均匀性）Powerefficiency（功耗）Size（尺寸）9.自旋晶体管(1)自旋阀晶体管（SVT）结构(2)描述SVT中自旋热电子的输运过程