自旋电子学导论

《纳米科学与技术》丛书序

现代磁学的黄金时期

golden era of modern magnetism

上卷

第1章 磁性纳米多层膜巨磁电阻效应及其器件

1.1 背景简介

1.2 巨磁电阻效应的发现、理论及其应用

1.2.1 巨磁电阻效应的发现和典型实验结果

1.2.2 巨磁电阻效应的理论模型

1.2.3 巨磁电阻效应的应用

1.3 巨磁电阻的影响

1.3.1 隧穿磁电阻

1.3.2 庞磁电阻

1.3.3 铁磁半导体中的磁电阻

1.3.4 纳米线以及有机体系中的磁电阻

1.3.5 非磁体系中的磁电阻效应

1.4 结论与展望

参考文献

第2章 磁性颗粒膜中的巨磁电阻效应

2.1 磁性颗粒膜中的超顺磁性

2.1.1 铁磁性颗粒的磁性

2.1.2 铁磁性颗粒集合体的超顺磁性

2.2 金属／金属型磁性颗粒膜的巨磁电阻效应

2.2.1 理论解释

2.2.2 金属／金属型颗粒膜gmr效应的影响因素

2.3 金属／绝缘体型磁性颗粒膜的巨磁电阻效应

2.4 磁性纳米粒子组装颗粒膜的巨磁电阻效应

2.5 结束语

参考文献

第3章 磁性隧道结及隧穿磁电阻相关效应

3.1 引言：磁性隧道结及其发展历程

3.2 基于不同势垒材料的单势垒磁性隧道结

3.2.1 基于非晶al-o势垒的磁性隧道结

3.2.2 基于单晶?-ai2o3势垒的磁性隧道结

3.2.3 基于非品ti-o势垒的磁性隧道结

3.2.4 基于单晶mgo（001）势垒的磁性隧道结

3.2.5 基于尖晶石mgai2 o4（001）等新型势垒的磁性隧道结

3.2.6 基于有机材料势垒的磁性隧道结

3.2.7 基于半导体材料势垒的磁性隧道结

3.2.8 基于其他势垒的磁性隧道结

3.3 磁性隧道结中常用电极材料

3.3.1 基于单质铁磁金属材料的磁性隧道结

3.3.2 基于高自旋极化率铁磁金属合金材料的磁性隧道结

3.3.3 具有高自旋极化率的半金属电极材料

3.3.4 基于垂直磁各向异性磁电极材料的磁性隧道结

3.3.5 基于稀磁半导体电极材料的磁性隧道结

3.3.6 基于插层和复合电极材料的磁性隧道结

3.4 双势垒磁性隧道结

3.4.1 基于非晶al-o双势垒的磁性隧道结

3.4.2 基于单晶mgo（001）双势垒的磁性隧道结

3.5 磁性隧道结中的物理效应

3.5.1 自旋转移力矩效应

3.5.2 库仑阻塞磁电阻效应

3.5.3 磁电阻振荡效应

3.5.4 双势垒磁性隧道结中的量子阱共振隧穿效应

3.5.5 磁性隧道结中的电场效应

3.5.6 磁性隧道结中的热自旋效应

3.6 磁性隧道结在器件中的应用

3.6.1 硬盘驱动器磁读头

3.6.2 磁性传感器

3.6.3 磁性随机存取存储器

3.6.4 自旋纳米振荡器

3.6.5 自旋逻辑器件

3.6.6 自旋晶体管、自旋场效应晶体管

3.6.7 自旋发光二极管

3.7 研究展望

参考文献

附录 磁性隧道结的发展历史及其有代表性的优化结构

第4章 铁磁体／反铁磁体多层结构中交换偏置的最新进展

4.1 引言

4.2 反铁磁层对磁交换偏置效应的影响

4.3 铁磁体／非磁体／反铁磁体三层膜体系中的层间交换偏置耦合

4.4 铁磁体／反铁磁体／铁磁体三层膜体系中的层间交换偏置耦合

4.5 通过磁-电效应实现交换偏置的电场控制

4.6 结语

参考文献

第5章 磁性超薄膜中厚度诱导的自旋重取向相变

5.1 唯象性描述

5.1.1 零磁场下的自旋重取向相变

5.1.2 外加磁场下的自旋重取向相变

5.2 利用磁化曲线研究自旋重取向相变

5.3 利用微观成像技术研究自旋重取向相变

5.4 利用磁化率研究自旋重取向相变

5.4.1 厚度诱导自旋重取向相变中磁化率的理论模型

5.4.2 自旋重取向相变的磁化率实验研究及与理论的比较

5.5 总结

参考文献

第6章 钙钛矿结构锰氧化物中的庞磁电阻效应及其应用

6.1 钙钛矿结构锰氧化物的cmr效应

6.2　cmr锰氧化物的制备

6.2.1 多晶陶瓷

6.2.2 单晶

6.2.3 薄膜

6.2.4 纳米颗粒、线

6.3　cmr锰氧化物的物理性质

6.3.1 晶体结构

6.3.2 电子结构

6.3.3 磁结构

6.3.4　cmr锰氧化物的磁输运行为

6.3.5 各种掺杂效应和相图

6.3.6 电荷有序和轨道有序

6.3.7 相分离

6.3.8　cmr效应的理论研究

6.4　cmr锰氧化物薄膜器件和应用

6.4.1 锰基异质结及其应用

6.4.2　cmr锰氧化物隧道结及其应用

6.4.3　cmr锰氧化物铁电场效应晶体管及其应用

6.5 小结

参考文献

第7章 自旋转移力矩效应

7.1 引言

7.2　自旋转移力矩的基本原理

7.2.1　自旋电流、自旋力矩以及它们之间的联系

7.2.2 自由电子在非磁性金属和铁磁金属界面处的散射

7.2.3 自旋转移力矩在磁异质结中的特性

7.3　自旋转移力矩驱动的多层膜磁化动力学

7.3.1 llg方程与自旋转移力矩

7.3.2 磁化动力学：宏观磁矩模型

7.3.3 磁化动力学：微磁学模型简介

7.4 磁性单层膜和双层膜结构中的自旋转移

7.4.1 不均匀铁磁金属单层膜中的自旋转移

7.4.2 顺磁金属／铁磁金属双层膜中的自旋转移

7.5 对自旋转移力矩的其他研究方向的展望

7.5.1 基于铁磁绝缘体的自旋转移

7.5.2 热驱动自旋转移力矩

7.5.3 自旋转移力矩的逆效应

7.5.4 其他磁性材料中的自旋转移效应

参考文献

第8章 自旋转移力矩效应和微磁学模拟技术

8.1 微磁学基础理论

8.1.1 布朗（brown）稳态方程

8.1.2 磁动力学方程

8.1.3 数值模拟方法

8.1.4 微磁学计算中的单位约化

8.2 微磁学新进展

8.2.1 自旋转移力矩效应

8.2.2　rashba效应

8.2.3　landau-lifshitz-bloch方程

8.2.4 自洽bloch方程

8.2.5 原子尺度的微磁学模型

8.3　stt驱动的磁化翻转及微磁学模拟

8.3.1　stt效应的研究进展

8.3.2　stt驱动的磁化翻转微磁学模拟

8.4　stt驱动的磁涡旋极性翻转

8.5　stt驱动的自旋波激发

8.5.1　stt驱动的磁振荡

8.5.2 面内-垂直双自旋极化结构

8.6 原子尺度的微磁学模拟

8.6.1 稀土-过渡金属合金材料

8.6.2 三温度模型

8.6.3 稀土-过渡金属薄膜材料的微磁学模型及激光退磁过程

8.7 结束语

参考文献

第9章 铁磁共振和自旋波的电检测技术及其在自旋电子学方面的新应用

9.1 电检测铁磁共振技术的物理原理

9.2 电检测铁磁共振信号的定量分析方法

9.2.1 磁化强度的进动

9.2.2 广义欧姆定律

9.2.3 自旋整流效应的定量分析和角对称性

9.3 铁磁共振和自旋波电检测技术的应用

9.3.1　gamnas薄膜中的自旋激发

9.3.2 相分辨铁磁共振谱

9.3.3 自旋波共振的电检测

9.3.4 非线性铁磁共振和自旋波

9.3.5 异质结自旋器件中自旋泵浦效应和自旋整流效应的区分

9.3.6 微波磁场矢量探测器

9.3.7 微波相位成像

9.结语

参考文献

第10章 磁性纳米异质受限结构中的自旋和热电输运量子理论

10.1 引言

10.2 单磁性隧道结中自旋相关输运定态理论

10.2.1 无自旋的转移哈密顿量

10.2.2 单隧道结系统的哈密顿量

10.2.3 利用非平衡格林函数计算电流和电导

10.2.4 电导和隧穿磁电阻效应

10.2.5 单磁性隧道结中的自旋转移力矩

10.2　6电子-电子相互作用对电导的影响

10.3 双磁性隧道结中自旋相关输运定态理论

10.3.1 中心区为铁磁膜

10.3.2 中心区为超导体

10.3.3 中心区为量子点

10.3.4 中心区为一臂镶嵌了量子点的aharonov-bohm环

10.3.5　自旋过滤：铁磁体-量子点-半导体双隧道结系统

10.4 自旋相关的含时输运理论

10.4.1 多铁磁端口器件：中心区存在随时间变化的栅电压

10.4.2 单磁性隧道结中含时外场对电流和自旋转移力矩的影响

10.5 具有自旋轨道耦合的量子环和自旋场效应管中激光激发的自旋动力学

10.5.1 量子环

10.5.2 光控自旋场效应管

10.6 自旋热电输运理论

10.6.1 热功率、peltier系数和热导率

10.6.2　wiedemann-franz定律

10.7 总结

参考文献

第11章 各种霍尔效应及其输运性质和应用

11.1 霍尔效应的研究简史

11.2 霍尔效应分类介绍

11.2.1 正常霍尔效应

11.2.2 反常霍尔效应

11.2.3 平面霍尔效应

11.2.4 自旋霍尔效应

11.2.5 量子霍尔效应

11.3 本章小结

参考文献

第12章 自旋霍尔效应、反常霍尔效应和拓扑绝缘体

12.1 整数量子霍尔效应

12.2 量子反常霍尔效应

12.3 量子自旋霍尔效应

参考文献

第13章 介观器件中的自旋轨道耦合和自旋流

13.1 引言

13.2 自旋电子器件的理论基础

13.2.1 含有自旋轨道耦合的实空间哈密顿量

13.2.2 含有自旋轨道耦合的二次量子化哈密顿量

13.3 纳米器件中的自旋积累和自旋极化流

13.3.1 半导体中的自旋极化流

13.3.2 量子点中的自旋积累

13.4 介观小环中的持续自旋流

13.4.1 产生持续自旋流的物理图像

13.4.2 自旋轨道耦合-正常复合介观小环中的持续自旋流

13.5 自旋流定义

13.5.1 线自旋流、角自旋流和连续性方程

13.5.2 一个例子：一维体系自旋流

13.6 自旋流产生的电场

13.7 展望

参考文献

第14章 半导体中的自旋轨道耦合及其物理效应

14.1 引言

14.2 半导体中的自旋轨道耦合

14.2.1 有效质量理论

14.2.2 半导体量子阱中的rashba自旋劈裂

14.3 窄禁带半导体量子阱中的本征自旋霍尔效应

14.3.1　8带模型计算本征自旋霍尔效应

14.3.2 速度顶角修正——梯图近似

14.3.3　hgcdte／cdte量子阱中量子相变致本征自旋霍尔效应

14.4 拓扑绝缘体

14.4.1 拓扑绝缘体中的反常电子轨道

14.4.2 拓扑绝缘体表面电子引发的可控rkky相互作用

14.4.3 拓扑绝缘体量子点

14.4.4 极化场驱动的拓扑绝缘体量子相变

14.5 结束语

参考文献

第15章 磁性阻挫系统

15.1　自旋系统中阻挫的引入

15.2 经典自旋体系中的磁性阻挫

15.2.1 二维几何阻挫ising模型

15.2.2 三维几何阻挫系统与自旋冰

15.2.3 连续自旋模型与计算模拟

15.3 量子自旋体系中的磁性阻挫

15.3.1 一维heisenberg链与阻挫驱动的量子相变

15.3.2 二维j1-j2模型与无序诱导的有序

15.3.3 阻挫自旋系统的低能磁激发

15.3.4 量子自旋液体与分数激发

15.4 展望

参考文献

索引

彩图

下卷

第16章 热自旋电子学

16.1 卡诺电子学的发展背景

16.2　自旋相关热电理论及实验进展

16.2.1 塞贝克效应及其理论

16.2.2 双电流模型

16.2.3 自旋相关热电理论

16.2.4 自旋相关热电效应实验进展

16.3 自旋塞贝克效应及其相关效应

16.3.1 自旋霍尔效应和逆自旋霍尔效应

16.3.2 自旋塞贝克效应

16.3.3 自旋能斯特效应

16.3.4　pt邻近效应

16.3.5 自旋霍尔磁电阻

16.4 磁性隧道结

16.4.1 磁性隧道结的热电理论计算

16.4.2 磁性隧道结的热电实验进展

16.5 热诱导的自旋转移力矩

16.6 结束语

参考文献

第17章 iii-v族磁性半导体（ga，mn）as

17.1　p-d交换作用zener模型

17.2 高居里温度（ga，mn）as的制备

17.2.1 重mn掺杂

17.2.2 自上而下微纳加工（ga，mn）as纳米条

17.2.3 自下而上自组织生长（ga，mn）as纳米线

17.2.4 磁邻近效应

17.3 （ga，mn）as的自旋超快动力学

17.3.1 电子自旋超快激发与弛豫动力学过程及其相关物理机制

17.3.2 光控磁化翻转及其动力学过程研究

17.3.3 全光相干自旋波激发与动力学过程研究

17.4 （ga，mn）as的费米能级问题

17.4.1 价带模型

17.4.2 杂质带模型

17.5 基于（ga，mn）as的器件物理效应

17.5.1 电场调控磁化矢量的转动

17.5.2 电场调控居里温度

17.5.3 铁磁金属／（ga，mn）as复合隧道结

17.6 展望

参考文献

第18章 氧化物稀磁半导体

18.1 研究背景

18.1.1 引言

18.1.2 稀磁半导体的发展历程

18.2 氧化物稀磁半导体薄膜的制备

18.2.1 制备方法

18.2.2 制备条件

18.3 氧化物稀磁半导体的结构及表征

18.3.1 氧化物半导体的晶体结构与特性

18.3.2 氧化物稀磁半导体结构表征

18.4 氧化物稀磁半导体的磁性

18.4.l 3d过渡金属掺杂氧化物稀磁半导体

18.4.2 共掺杂氧化物稀磁半导体

18.4.3 非磁性元素掺杂和不掺杂的氧化物稀磁半导体

18.5 氧化物稀磁半导体的输运性质

18.5.1 载流子浓度与铁磁性的关系

18.5.2 反常霍尔效应

18.6 氧化物稀磁半导体的理论计算

18.6.1 第一性原理计算方法

18.6.2 磁交换能的计算

18.6.3 电子结构分析

18.6.4　tc的计算

18.7 氧化物稀磁半导体的磁性产生模型

18.7.1 载流子诱导的铁磁性理论

18.7.2 束缚磁极子理论

18.7.3 电荷转移的铁磁性理论

18.8 氧化物稀磁半导体及其异质结中的磁电阻效应

18.8.1 氧化物稀磁半导体的磁电阻效应

18.8.2 氧化物稀磁半导体基的磁性隧道结

18.9 总结与展望

参考文献

第19章 有机半导体异质结构及其磁电阻效应

19.1 垂直结构有机自旋阀器件的制备

19.2 铁磁有机界面的自旋注入

19.3 有机半导体中的自旋弛豫

19.4 有机材料中的隧穿磁电阻现象

19.5 自旋调控的有机电子学器件

19.6 小结

参考文献

第20章 有机复合磁性纳米结构中的理论计算研究

20.1 有机复合磁性纳米结构简介

20.2 基于有机复合磁性纳米结构的理论简介

20.2.1 唯象的理论方法

20.2.2 第一性原理有机物一金属界面的计算方法

20.2.3 非平衡态格林函数方法

20.2.4 其他效应的理论方法

20.3 有机复合磁性纳米结构的结构特性

20.3.1 有机物-磁性金属界面

20.3.2 有机物-绝缘体界面

20.3.3 双面有机物-磁性金属结合的结构

20.3.4 其他与有机物相关的界面结构

20.4 有机复合磁性纳米结构的自旋相关输运特征

20.4.1 基于有机物的隧穿磁电阻效应

20.4.2 与有机物相关的界面耦合效应

20.4.3 自旋相关杂化对输运的影响

20.4.4 电流驱动下的有机物结构转变效应

20.4.5 其他有机物中的自旋相关输运特性

20.5 有机磁性纳米复合结构的应用前景展望

20.5.1 与自旋相关的有机随机存储器

20.5.2 有机自旋晶体管

20.5.3 基于有机材料的自旋发光二极管

20.5.4 基于有机物的自旋流发射源

20.6 总结与展望

参考文献

第21章 碳基自旋电子学

21.1 基于石墨烯的自旋电子学

21.1.1 石墨烯简介

21.1.2自旋注入

21.1.3石墨烯自旋阀器件

21.1.4 自旋输运和自旋调控

21.1.5 基于石墨烯纳米带的自旋电子学

21.1.6 小结

21.2 基于碳纳米管的自旋电子学

21.2.1 碳纳米管简介

21.2.2 碳纳米管自旋阀器件

21.2.3 碳管中的自旋输运和调控

21.2.4 小结

21.3 基于有机半导体和富勒烯的自旋阀器件

21.4 总结和展望

《纳米科学与技术：自旋电子学导论（上卷）》由工作在自旋电子学研究领域里的国内外50余位学者撰写而成。全书分两卷、共28章，各章均由该领域富有研究经验的知名专家负责，较全面地介绍和论述了目前自旋电子学研究领域中的各个重要研究方向及其进展，并重点关注自旋电子学的关键材料探索、物理效应研究及其原理型器件的设计开发和实际应用。

《纳米科学与技术：自旋电子学导论（上卷）》适合物理（特别是自旋电子学）及相关领域的大学本科高年级学生、研究生、教师、工程师和科研工作者等参考阅读。