自旋半金屬材料

半金屬材料具有特殊的能帶結(jié)構(gòu)，因此其具有一些特殊的性質(zhì)：

1、它在費(fèi)米能級(jí)處的電子極化率高達(dá)100% ；

2、它的總磁矩為波爾磁矩的整數(shù)倍；

3、一些半金屬鐵磁體還具有較高的居里溫度。

這些特點(diǎn)使半金屬材料非常適合在自旋電子器件中應(yīng)用，尤其適合作為自旋注入源材料。

1）以half-Heusler（半霍伊斯勒）和Heusler（全霍伊斯勒）合金為代表的三元金屬化合物：NiMnSb、PtMnSb、FeMnSb等。Half-Heusler半金屬鐵磁體材料屬于面心立方；Heusler半金屬鐵磁體具有

2）磁性金屬氧化物：

3）雙鈣鈦礦化合物：

4）閃鋅礦型過渡金屬硫族化合物或磷族化合物：VTe，CrSe，CrTe，CrAs，MnBi，CrSb等。研究發(fā)現(xiàn)，這類半金屬鐵磁體的穩(wěn)定態(tài)是NiAs相，閃鋅礦相只是它們的亞穩(wěn)態(tài)。三個(gè)過渡金屬硫系化合物CrTe、CrSe和VTe的閃鋅礦結(jié)構(gòu)相是優(yōu)質(zhì)半金屬鐵磁體，不僅具有很寬的半金屬能隙，相對于基態(tài)相的總能還不高，大大低于閃鋅礦結(jié)構(gòu)的過渡金屬V族化合物的相對總能，同時(shí)，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性明顯優(yōu)于己經(jīng)較好地合成出來的CrAs閃鋅礦結(jié)構(gòu)薄膜（最大約5個(gè)單胞層厚）。很寬的半金屬能隙意味著可能在較高溫度下得到高自旋極化率，這已被德國Kübler教授的最新計(jì)算所證明：相對總能低并且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，使得足夠厚度（約5至50個(gè)單胞層）的薄膜材料或尺度足夠大的納米結(jié)構(gòu)易于通過外延生長技術(shù)獲得。這些優(yōu)異特性使得這些材料將很可能在納米尺度的自旋電子學(xué)器件中得到實(shí)際應(yīng)用。 2100433B

1983年，荷蘭Nijimegen大學(xué)的Groot 教授對half-Heusle合金NiMnSb進(jìn)行能帶計(jì)算后發(fā)現(xiàn)其具有一種特殊的新型能帶結(jié)構(gòu)，如圖1：NiMnSb的多數(shù)白旋方向圖所示：電子在一個(gè)自旋方向上呈現(xiàn)金屬性，也就是在費(fèi)米能級(jí)處有電子態(tài)的存在；而在另一個(gè)自旋方向上呈現(xiàn)半導(dǎo)體性，也就是在費(fèi)米能級(jí)處存在禁帶。他們將具有這種特殊能帶結(jié)構(gòu)的材料稱為半金屬（half-metal）材料。這里所指的半金屬并不是傳統(tǒng)意義上的半金屬（semi-metal，如As、Sb、Bi等），傳統(tǒng)的半金屬是導(dǎo)電電子濃度遠(yuǎn)低于正常金屬的一類物質(zhì)的統(tǒng)稱，因其導(dǎo)電能力介于金屬與絕緣體之間而稱為半金屬。其能帶特點(diǎn)是導(dǎo)帶與價(jià)帶之間部分重疊，價(jià)帶電子在無需熱激發(fā)的情況下便會(huì)流入能量較低的導(dǎo)帶底部。而半金屬材料是電子結(jié)構(gòu)同時(shí)具有金屬性與半導(dǎo)體性的特征，這種微觀上金屬性與半導(dǎo)體性的共存被稱為半金屬性。

1.如何將自旋電流從鐵磁電極S高效率地注入半導(dǎo)體？——這可利用“磁性半導(dǎo)體”來實(shí)現(xiàn)，這種半導(dǎo)體可通過較低電壓來控制它在非磁狀態(tài)和鐵磁狀態(tài)這兩種狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換（自旋開關(guān)），并且可用作為自旋過濾器（讓一種自旋狀態(tài)通過, 阻止另一種自旋狀態(tài)通過）。但是磁性半導(dǎo)體的制備尚不成熟。

2.半導(dǎo)體自旋電子器件對磁性半導(dǎo)體的基本要求是：電子的自旋極化狀態(tài)在穿越半導(dǎo)體或進(jìn)入另一種材料時(shí), 要能很好地保持不變, 即自旋極化喪失的速度要慢, 自旋電流的極化要能長時(shí)間維持——自旋相干時(shí)間要長。

跟互斥鎖一樣，一個(gè)執(zhí)行單元要想訪問被自旋鎖保護(hù)的共享資源，必須先得到鎖，在訪問完共享資源后，必須釋放鎖。如果在獲取自旋鎖時(shí)，沒有任何執(zhí)行單元保持該鎖，那么將立即得到鎖；如果在獲取自旋鎖時(shí)鎖已經(jīng)有保持者，那么獲取鎖操作將自旋在那里，直到該自旋鎖的保持者釋放了鎖。由此我們可以看出，自旋鎖是一種比較低級(jí)的保護(hù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或代碼片段的原始方式，這種鎖可能存在兩個(gè)問題：

死鎖。試圖遞歸地獲得自旋鎖必然會(huì)引起死鎖：遞歸程序的持有實(shí)例在第二個(gè)實(shí)例循環(huán)，以試圖獲得相同自旋鎖時(shí)，不會(huì)釋放此自旋鎖。在遞歸程序中使用自旋鎖應(yīng)遵守下列策略：遞歸程序決不能在持有自旋鎖時(shí)調(diào)用它自己，也決不能在遞歸調(diào)用時(shí)試圖獲得相同的自旋鎖。此外如果一個(gè)進(jìn)程已經(jīng)將資源鎖定，那么，即使其它申請這個(gè)資源的進(jìn)程不停地瘋狂“自旋”,也無法獲得資源，從而進(jìn)入死循環(huán)。

過多占用cpu資源。如果不加限制，由于申請者一直在循環(huán)等待，因此自旋鎖在鎖定的時(shí)候,如果不成功,不會(huì)睡眠,會(huì)持續(xù)的嘗試,單cpu的時(shí)候自旋鎖會(huì)讓其它process動(dòng)不了. 因此，一般自旋鎖實(shí)現(xiàn)會(huì)有一個(gè)參數(shù)限定最多持續(xù)嘗試次數(shù). 超出后, 自旋鎖放棄當(dāng)前time slice. 等下一次機(jī)會(huì)。

由此可見，自旋鎖比較適用于鎖使用者保持鎖時(shí)間比較短的情況。正是由于自旋鎖使用者一般保持鎖時(shí)間非常短，因此選擇自旋而不是睡眠是非常必要的，自旋鎖的效率遠(yuǎn)高于互斥鎖。信號(hào)量和讀寫信號(hào)量適合于保持時(shí)間較長的情況，它們會(huì)導(dǎo)致調(diào)用者睡眠，因此只能在進(jìn)程上下文使用，而自旋鎖適合于保持時(shí)間非常短的情況，它可以在任何上下文使用。如果被保護(hù)的共享資源只在進(jìn)程上下文訪問，使用信號(hào)量保護(hù)該共享資源非常合適，如果對共享資源的訪問時(shí)間非常短，自旋鎖也可以。但是如果被保護(hù)的共享資源需要在中斷上下文訪問（包括底半部即中斷處理句柄和頂半部即軟中斷），就必須使用自旋鎖。自旋鎖保持期間是搶占失效的，而信號(hào)量和讀寫信號(hào)量保持期間是可以被搶占的。自旋鎖只有在內(nèi)核可搶占或SMP（多處理器）的情況下才真正需要，在單CPU且不可搶占的內(nèi)核下，自旋鎖的所有操作都是空操作。

上面簡要介紹了自旋鎖的基本原理，以下將給出具體的例子，進(jìn)一步闡釋自旋鎖在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用。上面我們已經(jīng)講過自旋鎖只有在內(nèi)核可搶占或SMP（多處理器）的情況下才真正需要，下面我們就以SMP為例，來說明為什么要使用自旋鎖，以及自旋鎖實(shí)現(xiàn)的基本算法。

事實(shí)上，自旋鎖的初衷就是：在短期間內(nèi)進(jìn)行輕量級(jí)的鎖定。一個(gè)被爭用的自旋鎖使得請求它的線程在等待鎖重新可用的期間進(jìn)行自旋(特別浪費(fèi)處理器時(shí)間)，所以自旋鎖不應(yīng)該被持有時(shí)間過長。如果需要長時(shí)間鎖定的話, 最好使用信號(hào)量。

1自旋鎖實(shí)際上是忙等鎖

當(dāng)鎖不可用時(shí)，CPU一直循環(huán)執(zhí)行“測試并設(shè)置”該鎖直到可用而取得該鎖，CPU在等待自旋鎖時(shí)不做任何有用的工作，僅僅是等待。因此，只有在占用鎖的時(shí)間極短的情況下，使用自旋鎖才是合理的。當(dāng)臨界區(qū)很大或有共享設(shè)備的時(shí)候，需要較長時(shí)間占用鎖，使用自旋鎖會(huì)降低系統(tǒng)的性能。

自旋鎖可能導(dǎo)致系統(tǒng)死鎖

引發(fā)這個(gè)問題最常見的情況是遞歸使用一個(gè)自旋鎖，即如果一個(gè)已經(jīng)擁有某個(gè)自旋鎖的CPU 想第二次獲得這個(gè)自旋鎖，則該CPU 將死鎖。此外，如果進(jìn)程獲得自旋鎖之后再阻塞，也有可能導(dǎo)致死鎖的發(fā)生。copy_from_user()、copy_to_user()和kmalloc()等函數(shù)都有可能引起阻塞，因此在自旋鎖的占用期間不能調(diào)用這些函數(shù)。代碼清單7.2 給出了自旋鎖的使用實(shí)例，它被用于實(shí)現(xiàn)使得設(shè)備只能被最多一個(gè)進(jìn)程打開。