Abstract
We present an overview of the critical issues of current interest in magnetic and magnetoelectronic materials. A broad demonstration of the successful blend of materials synthesis, microstructural evolution and control, new physics and novel applications that is central to research in this field is presented. The critical role of size, especially at the nanometer length scale, dimensionality, as it pertains to thin films and interfaces, and the overall microstructure, in determining a range of fundamental properties and potential applications, is emphasized. Even though the article is broad in scope, examples are drawn mainly from our recent work in magnetic nanoparticles and core-shell structures, exchange, proximity and interface effects in thin film heterostructures, and dilute magnetic dielectrics, a new class of materials for spin electronics applications.
Similar content being viewed by others
References
G. HADJIPANAYIS (ed.), Magnetic Recording Beyond 2000, (Kluwer Academic Press, 2001).
L. M. FALICOV, D. T. PIERCE, S. D. BADER, R. GRONSKY, K. B. HATHAWAY, H. J. HOPSTER, D. N. LAMBETH, S. S. P. PARKIN, G. PRINZ, M. SALAMON, I. K. SCHULLER and R. H. VICTORA, J. Mater. Res. 5 (1990) 1299.
F. J. HIMPSEL, J. E. ORTEGA, G. J. MANKEY and R. F. WILLIS, Adv. Phys. 47 (1998) 511.
H. KRONMULLER in Modern Problems in Metal Physics II” edited by A. Seeger (Springer, Berlin, 1966).
C. KITTEL, Rev. Mod. Phys. 21 (1949) 541.
E. H. FREI, S. SHTRIKMAN and D. TREVES, Phys Rev. 106 (1957) 446.
C. P. BEAN, J. Appl. Phys. 26 (1955) 1381.
G. HERTZER, IEEE Trans. Mag. 25 (1989) 3327.
J. M. D. COEY (ed.), Rare-Earth Iron Permanent Magnets (Oxford, 1996).
D. C. CREW, ER. GIRT, M. GUILOT, D. SUESS, T. SCHREFL and K. M. KRISHNAN, Phys. Rev. B66 (2002) 184418.
E. GIRT, K. M. KRISHNAN and G. THOMAS, Scripta Materialia 44 (2001) 1431.
G. J. KUSINSKI, K. M. KRISHNAN, G. DENBEAUX, G. THOMAS, B. D. TERRIS and D. WELLER, Appl. Phys. Lett. 79 (2001) 2211.
V. K. LA MER and R. H. DINEGAR, J. Amer. Chem. Soc. 72 (1950) 4847.
L. BRUS, J. Phys. Chem. Solids 59 (1998) 459.
H. J. G. DRAAISMA, W. J. M. DE JONGHE and F. J. A. DEN BROEDER, J. Mag. Mag. Mater. 66 (1987) 351.
J. NOGUES and I. K. SCHULLER, ibid. 192 (1999) 203.
E. F. KNELLER and R. HAWIG, IEEE Trans. Mag. 27 (1991) 3588.
J. B. KORTRIGHT, D. D. AWSHALOM, J. STOHR, S. D. BADER, Y. U. IDZERDA, S. S. P. PARKIN, I. K. SCHULLER and H. C. SIEGMAN, J. Mag. Mag. Mat. 20 (1999) 7.
K. M. KRISHNAN, in NATO/ASI on Magnetic Recording Beyond 2000, edited by G. Hadjipanayis (Kluwer Academic Press, 2001) p. 251.
A. MORRISH, The Physical Principles of Magnetism (Wiley, NY, 1965).
C. LEIGHTON, J. NOGUES, B. J. JöNSSON-ÅKERMAN and IVAN K. SCHULLER, Phys. Rev. Lett. 84 (2000) 3466.
U. WELP, S. G. E. TE VELTHUIS, G. P. FELCHER, T. GREDIG and E. D. DAHLBERG, J. App. Phys. 93 (2003) 7726; S. G. E. TE VELTHUIS, A. BERGER, G. P. FELCHER, B. K. HILL and E. DAN DAHLBERG, ibid. 87 (2000) 5046.
Y. IJIRI, J. A. BORCHERS, R. W. ERWIN, S. H. LEE, P. J. VAN DER ZAAG and R. M. WOLF, Phys. Rev. Lett. 80 (1998) 608.
P. BLOMQVIST, KANNAN M. KRISHNAN and ER. GIRT, J. Appl. Phys. 95 (2004) 8487; C. LEIGHTON, M. R. FITZSIMMONS, P. YASHAR, A. HOFFMAN, J. NOGUES, J. DURA, C. F. MAJKRZAK and IVAN K. SCHULLER, Phys. Rev. Lett. 86 (2001) 4394.
M. R. FITZSIMMONS, P. YASHAR, C. LEIGHTON, IVAN K. SCHULLER, J. NOGUES, C. F. MAJKRZAK and J. A. DURA, ibid. 84 (2000) 3986; M. GIERLINGS, M. J. PRANDOLINI, H. FRITZSCHE, M. GRUYTERS, D. RIEGEL, Phys. Rev. B65, (2002) 092407; V. I. NIKITENKO, V. S. GORNAKOV, A. J. SHAPIRO, R. D. SHULL, K. LIU, S. M. ZHOU and C. L. CHIEN, Phys. Rev. Lett. 84 (2000) 765; V. I. NIKITENKO, V. S. GORNAKOV, L. M. DEDUKH, YU.P. KABANOV, A. F. KHAPIKOV, A. J. SHAPIRO, R. D. SHULL, A. CHAIKEN and R. P. MICHEL, Phys. Rev. B57 (1998) R8111.
A. P. MALOZEMOFF, Phys. Rev. B37 (1988) 7673; N. C. KOON, Phys. Rev. Lett. 78 (1997) 4865; T. C. SCHULTHESS and W. H. BUTLER, ibid. 81 (1998) 4516; R. L. STAMPS, J. Phys. D: Appl. Phys. 33 (2000) R247.
P. BLOMQVIST, KANNAN M. KRISHNAN, H. OHLDAG, A. SCHOLL and J. STöHR, Phys. Rev. Lett. 94 (2005) 107203.
L. NEEL, J. Phys. Radium 15 (1954) 225.
N.-H. CHO, KANNAN M. KRISHNAN, C. LUCAS and R. F. C. FARROW, J. Appl. Phys. 72 (1992) 5799.
M. ZIESE and M. J. THORNTON (eds.), “Spin Electronics” (Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 2001).
M. N. BAIBICH, J. M. BROTO, A. FERT, F. N. VANDAU, F. PETROFF, P. EITENNE, G. CREUZET, A. FRIEDERICH and J. CHAZELAS, Phys. Rev. Lett. 61 (1988) 2472.
V. S. SPERIOSU, B. DIENY, P. HUMBERT, B. A. GURNEY and H. LEFAKIS, Phys. Rev. B44 (1991) 5358.
J. S. MOODERA, L. R. KINDER, T. M. WONG and R. MESERVEY, Phys. Rev. Lett. 74 (1995) 3273.
P. NAJI, M. DURLAM, S. TEHRANI, J. CALDER and M. DEHERRERA, 2001 IEEE International Solid State Circuits Conference, (2001) p. 437.
G. SCHMIDT and L. W. MOLENKAMP, Physica E 10 (2001) 484.
Y. OHNO, D. K. YOUNG, B. BESCHOTEN, F. MATSUKURA, H. OHNO and D. D. AWSCHALOM, Nature (London) 402 (1999) 790.
S. A. WOLF, D. D. AWSCHALOM, R. A. BUHRMAN, J. M. DAUGHTON, S. VON MOLNAR, M. L. ROUKES, A. Y. TCHELKANOVA and D. M. TREGER, Science 294 (2001) 1488.
K. A. GRIFFIN, A. B. PAKHOMOV, C. M. WANG, S. M. HEALD and KANNAN M. KRISHNAN, Phys. Rev. Lett. 94 (2005) 157204.
L. REIMER, “Transmission Electron Microscopy” (Springer-Verlag, 1997).
M. VARELA, W. GROGGER, D. ARIAS, Z. SEFRIOUI, C. LEON, C. BALLESTEROS, KANNAN M. KRISHNAN and J. SANTAMARIA, Phys. Rev. Lett. 86 (2001) 5156.
J. SANTAMARIA, M. E. GOMEZ, J. L. VICENT, KANNAN M. KRISHNAN and I. SCHULLER, ibid. 89 (2002) 190601.
N. CHENG, KANNAN M. KRISHNAN, ER. GIRT, R. F. C. FARROW, R. MARKS, A. YOUNG and H. A. CHENG, J. Appl. Phys. 87 (2000) 6647.
G. DENBEAUX, P. FISCHER, G. KUSINSKI, M. LE GROS, A. PEARSON and D. ATTWOOD, IEEE Trans. Magn. 37 (2001) 2764.
A. SCHOLL, H. OHLDAG, F. NOLTING, J. STöHR and H. A. PADMORE, Rev. Sci. Instrum. 73 (2002) 1362.
P. TARTAJ, Encycl. Nanosc. Nanotech. 6 (2004) 823.
V. F. PUNTES, KANNAN M. KRISHNAN and P. A. ALIVISATOS, Science 291 (2001) 2115.
Y. BAO, A. B. PAKHOMOV and K. M. KRISHNAN, J. Appl. Phys. 97 (2000) 10J317.
V. K. LAMER and R. H. DINEGAR, J. Am. Chem. Soc. 72 (1950) 4847.
Y. BAO, M. BEERMAN, A. B. PAKHOMOV and K. M. KRISHNAN, J. Phys. Chem. B. 109 (2005) 7220.
Y. BAO, M. BEERMAN and K. M. KRISHNAN, J. Mag. Mag. Mat. 266 (2003) L245.
T. C. LUBENSKY, Solid State Commun. 102 (1997) 187.
W. ZHOU, A. KUMBHAR, J. WIEMANN, J. FANG, E. E. CARPENTAR and C. J. O’CONNER, J. Solid State Chem. 159 (2001) 26.
S-J. CHO, S. M. KAUZLARICH, J. OLAMIT, K. LIU, F. GRANDJEAN, L. REBBOULH and G. J. LONG, J. Appl. Phys. 95 (2004) 6804.
J. L. LYON, D. A. FLEMING, M. B. STONE, P. SCHIFFER and M. E. WILLIAMS, Nanoletters 4 (2004) 719.
A. K. GUPTA and M. GUPTA, Biomaterials 26 (2005) 3995.
Y. BAO and K. M. KRISHNAN, J. Magn. Magn. Mater. 293 (2005) 15.
S. MORNET, S. VASSEUR, F. GRASSET and E. DUGUET, J. Mater. Chem. 14 (2004) 2161.
J. C. RIFE, M. M. MILLER, P. E. SHEEHAN, C. R. TAMANAHA, M. TONDRA and L. J. WHITMAN, Sens. Actuators A, Phys. A107 (2003) 209.
L. EJSING, M. F. HANSEN, A. K. MENON, H. A. FERREIRA, D. L. GRAHAM and P. P. FREITAS, Appl. Phys. Lett. 84 (2004) 4729.
A. B. PAKHOMOV, Y. BAO and K. M. KRISHNAN, J. Appl. Phys. 97 (2005) 10Q305.
J. CONNOLLY and T. G. ST. PIERRE, J. Magn. Magn. Mater. 225 (2001) 156.
A. JORDAN, in Scientific and Clinical Applications of Magnetic Carriers, edited by U. Häfeli (Plenum Press, New York, 1997).
R. HERGT and W. ANDRA, IEEE Trans. Magn. (USA) 34 (1998) 3745.
M. GONZALES and K. M. KRISHNAN, J. Magn. Magn. Mater. 293 (2005) 265.
I. A. BREZOVICH, Med. Phys. Monograph 16 (1988) 82.
R. E. ROSENSWEIG, J. Magn. Magn. Mater. 252 (2002) 370.
P. C. FANNIN, B. K. P. SCAIFE and S. W. CHARLES, ibid. 72 (1988) 95.
J. A. C. BLAND and B. HEINRICH (eds), “Ultrathin Magnetic Structures I & II” (Springer-Verlag, 1994).
L. PAL, K. KREN, G. KADAR, P. SZABO and T. TARNOCZI, J. Appl. Phys. 39 (1968) 538.
N. CHENG, J. P. AHN and KANNAN M. KRISHNAN, ibid. 89 (2001) 6597.
P. BLOMQVIST, KANNAN M. KRISHNAN and D. E. MCCREADY, ibid. 95 (2004) 8019.
L. G. PARRAT, Phys. Rev. 95 (1954) 359.
P. BLOMQVIST and KANNAN M. KRISHNAN, J. Appl. Phys. 95 (2004) 8487.
E. C. STONER and E. P. WOHLFARTH, Proc. Phys. Soc. A240 (1948) 599.
P. BLOMQVIST, KANNAN M. KRISHNAN, S. SRINATH and S. G. E. TE VELTHUIS, J. Appl. Phys. 96 (2004) 6523.
A. SCHOLL, H. OHLDAG, F. NOLTING, J. STöHR, H. A. PADMORE, Rev. Sci. Instrum. 73 (2002) 1362.
P. BLOMQVIST, KANNAN M. KRISHNAN and H. OHLDAG, Phys. Rev. Lett. 94 (2005) 107203.
C. L. CANEDY, X. W. LI and G. XIAO, J. Appl, Phys. 81 (1997) 5367.
A. BERGER and H. HOPSTER, Phys. Rev. Lett. 76 (1996) 519.
C. KOOY and U. ENZ, Philips Research Reports 15 (1950) 7.
J. P. QIAN and G. C. WANG, J. Vac. Sci. Technol. A8 (1990) 4117.
Y. S. CHUN and KANNAN M. KRISHNAN, J. Appl. Phys. 95 (2004) 6858.
M. J. DONAHUE and D. G. PORTER, Interagency Report NISTIR 6376, OOMMF User's Guide, Version 1.0. (1999).
L. D. LANDAU and E. LIFSHITZ, Physik. Z. Sowjet Union 8 (1935) 153.
J. SLONCZEWSKI, J. Magn. Magn. Mat. 150 (1995) 13.
A. ROSENCWAIG, W. J. TABOR and R. D. PIERCE, Phys. Rev. Lett. 26 (1971) 779.
B. T. JONKER, S. C. ERWIN, A. PETROU and A. G. PETUKHOV, MRS Bulletin 28 (2003) 740.
Y. MATSUMOTO, M. MURAKAMI, T. SHONO, T. HASEGAWA, T. FUKUMURA, M. KAWASAKI, P. AHMET, T. CHIKYOW, S.-Y. KOSHIHARA and H. KOINUMA, Science 291 (2001) 854.
S. A. CHAMBERS, S. THEVUTHASAN, R. F. C. FARROW, R. F. MARKS, J. U. THIELE, L. FOLKS, M. G. SAMANT, A. J. KELLOCK, N. RUZYCKI, D. L. EDERER and U. DIEBOLD, Appl. Phys. Lett. 79 (2001) 3467.
K. UEDA, H. TABATA and T. KAWAI, ibid. 79 (2001) 988.
S. KUWABARA, T. KONDO, T. CHIKYOW, P. AHMET and H. MUNEKATA, Jpn. J. Appl. Phys. Part 2 40 (2001) L724.
M. K. REED, N. A. EL-MASRY, H. H. STADELMAIER, M. K. RITUMS, M. J. REED, C. A. PARKER, J. C. ROBERTS and S. M. BEDAIR, Appl. Phys. Lett. 79 (2001) 3473.
N. THEODOROPOULOU, A. F. HEBARD, M. E. OVERBERG, C. R. ABERNATHY, S. J. PEARTON, S. N. G. CHU and R. G. WILSON, Phys. Rev. Lett. 89 (2002) 107203.
S. G. YANG, A. B. PAKHOMOV, S. T. HUNG and C. Y. WONG, Appl. Phys. Lett. 81 (2002) 2418.
Y. WU, H. X. LIU, L. GU, R. K. SINGH, L. BUDD, M. VAN SCHILFGAARDE, M. R. MCCARTNEY, D. J. SMITH and N. NEWMAN, ibid. 82, (2003) 3047.
S. B. OGALE, R. J. CHOUDHARY, J. P. BUBAN, S. E. LOFLAND, S. R. SHINDE, S. N. KALE, V. N. KULKARNI, J. HIGGINS, C. LANCI, J. R. SIMPSON, N. D. BROWNING, S. DAS SARMA, H. D. DREW, R. L. GREENE and T. VENKATESAN, Phys. Rev. Lett. 91 (2003) 077205.
J. M. D. COEY, A. P. DOUVALIS, C. B. FITZGERALD and M. VENKATESAN, Appl. Phys. Lett. 84 (2004) 1332.
S. R. SHINDE et al., Phys. Rev. B67 (2003) 115211; J.-Y. KIM, J. H. PARK, B. G. PARK, H. J. NOH, S. J. OH, J. S. YANG, S. D. BU, T. W. NOH, H. J. LIN, H. H. HSIEH and C. T. CHEN, Phys. Rev. Lett. 90 (2003) 017401; S. A. CHAMBERS et al., Thin Sol. Films 418 (2002) 197; S. A. CHAMBERS, S. M. HEALD and T. DROUBAY, Phys. Rev. B67 (R) (2003) 100401; S. A. CHAMBERS and R. F. C. FARROW, MRS Bulletin 28 (2003) 729; G. C. HAN et al., J. Magn. Magn. Mater. 268 (2004) 159.
M. VARELA, K. A. GRIFFIN, S. PENNYCOOK and KANNAN M. KRISHNAN (unpublished).
RBS measurements courtesy of V. Shutthanandan, Pacific Northwest National Laboratory, Richland, WA.
M. S. PARK, S. K. KWON and B. I. MIN, Phys. Rev. B65 (2002) 161201R.
K. A. GRIFFIN, A. B. PAKHOMOV, C. M. WANG, S. M. HEALD and KANNAN M. KRISHNAN, J. Appl. Phys. 97 (2005) 10D320 (Note: Undoped TiO2 prepared and annealed under the same conditions is conducting.)
A. B. PAKHOMOV, B. K. ROBERTS and K. M. KRISHNAN, Appl. Phys. Lett. 83 (2003) 4357.
A. B. PAKHOMOV, B. K. ROBERTS, V. SHUTTHANANDAN, D. MCCREADY, S. T. THEVUTHASAN, A. TUAN, S. A. CHAMBERS and K. M. KRISHNAN, J. Appl. Phys. 95 (2004) 7393.
P. SHENG, Philososphical Magazine B65 (1992) 357.
B. K. ROBERTS, A. B. PAKHOMOV, V. S. SHUTTHANANDAN and KANNAN M. KRISHNAN, J. Appl. Phys. 97 (2005) 10D310.
See http://depts.washington.edu/kkgroup for further details.
Author information
Authors and Affiliations
Corresponding author
Rights and permissions
About this article
Cite this article
Krishnan, K.M., Pakhomov, A.B., Bao, Y. et al. Nanomagnetism and spin electronics: materials, microstructure and novel properties. J Mater Sci 41, 793–815 (2006). https://doi.org/10.1007/s10853-006-6564-1
Issue Date:
DOI: https://doi.org/10.1007/s10853-006-6564-1