自旋电子学

序

第1章 自旋电子学的形成与发展

1.1 两个历史性突破

1.2 各种磁电阻和巨大磁电阻

1.2.1 各向异性磁电阻

1.2.2 正常磁电阻

1.2.3 巨磁电阻

1.2.4 隧道结磁电阻

1.2.5 庞磁电阻

1.3 巨磁电阻的基本原理和发现的背景

1.3.1 铁磁金属的导电和自旋相关导电的基本原理

1.3.2 多层膜中的层间反铁磁交换耦合与巨磁电阻的发现

1.3.3 发现巨磁电阻的物质基础是纳米技术的发展

1.4 20多年来自旋电子学的发展及成就

1.4.1 振荡型的层间交换耦合

1.4.2 巨磁电阻走向应用的关键，溅射工艺的采用和自旋阀

1.4.3 半金属引人关注

1.4.4 磁性隧道结不断取得惊人的进展

1.4.5 CMR材料形成一大类新材料和物理的研究领域

1.4.6 半导体自旋电子学的发展

1.4.7 探索中的自旋逻辑元件和自旋计算

1.5 自旋动量矩转移——一个新的历史性突破

1.6 自旋电子学的应用与开发

1.7 结束语

参考文献

第2章 颗粒体系中的磁电阻效应

2.1 颗粒体系中的静磁特性

2.1.1 单畴临界尺寸

2.1.2 超顺磁性

2.2 颗粒体系中的输运特性

2.3 金属/金属型颗粒膜的巨磁电阻效应

2.4 间断膜的巨磁电阻效应

2.5 金属/绝缘体型颗粒膜的磁电阻效应

2.6 纳米颗粒固体的磁电阻效应

2.6.1 熔淬薄带的磁电阻效应

2.6.2 机械合金化制备的纳米固体的磁电阻效应

2.6.3 纳米微晶材料的磁电阻效应

2.7 有机介质中颗粒体系的磁输运

2.8 结束语

参考文献

第3章 磁性隧道结及其隧穿磁电阻效应和器件的应用

3.1 磁性隧道结的结构原理和发展简介

3.2 微米和纳米尺度磁性隧道结的微制备和加工

3.2.1 磁性隧道结多层膜的沉积和生长

3.2.2 掩膜法制备磁性隧道结

3.2.3 深紫外曝光法制备磁性隧道结

3.2.4 电子束曝光制备纳米磁性隧道结

3.2.5 聚焦离子束刻蚀法制备纳米磁性隧道结

3.2.6 磁性隧道结势垒层的氧化和热处理工艺

3.3 磁性隧道结的电极和势垒等常用材料

3.3.1 具有高自旋极化率的铁磁单质金属及其合金材料

3.3.2 具有高自旋极化率的半金属电极材料

3.3.3 具有垂直各向异性的金属磁电极材料

3.3.4 稀磁半导体电极材料

3.3.5 磁隧道结的势垒材料

3.3.6 磁性隧道结中的几种有代表性的反铁磁钉扎材料

3.4 磁性隧道结的种类

3.4.1 三明治结构磁性隧道结

3.4.2 自旋阀式钉扎型磁性隧道结

3.4.3 双势垒磁性隧道结

3.4.4 半金属磁性隧道结

3.4.5 垂直各向异性磁性隧道结

3.4.6 稀磁半导体复合型磁性隧道结

3.4.7 超导复合型磁性隧道结

3.4.8 颗粒膜复合型磁性隧道结

3.4.9 有机复合型磁性隧道结

3.4.1 0多铁性复合磁性隧道结

3.4.1 1平面型自旋阀结构

3.5 磁性隧道结中的量子效应及其磁电性质

3.5.1 磁性隧道结的磁电阻对温度和偏压依赖关系

3.5.2 磁性隧道结中的非弹性隧道谱

3.5.3 自旋极化电子的磁激子、声子及杂质辅助隧穿

3.5.4 磁性隧道结Co001/Cu001/Al-O/NiFe中的量子阱效应

3.5.5 磁性隧道结的反常霍尔效应

3.5.6 双势垒磁性隧道结中的磁电阻振荡效应

3.5.7 双势垒磁性隧道结中的顺序隧穿模型

3.5.8 双势垒磁性隧道结中的自旋散射效应和自旋翻转长度

3.5.9 双势垒磁性隧道结中的自旋相关库仑阻塞磁电阻效应

3.5.1 0非磁性电极隧道结中的自旋相关库仑阻塞磁电阻效应

3.6 单晶磁性隧道结的第一性原理计算和研究方法

3.6.1 LayerKorringa-Kohn-Rostoker第一性原理计算方法

3.6.2 单晶磁性隧道结Fe/MgO/Fe的隧穿磁电阻效应

3.6.3 单晶磁性隧道结Fe/FeO/MgO/Fe的隧穿磁电阻效应

3.6.4 单晶磁性隧道结Fe/Mg/MgO/Fe和Fe/Mg/MgO/Mg/Fe的隧穿磁电阻效应

3.6.5 单晶磁性隧道结Fe/MgO/Au，Ag/Fe中的量子阱效应

3.6.6 单晶双势垒磁性隧道结Fe/MgO/Fe/MgO/Fe的量子阱效应

3.6.7 单晶磁性隧道结Co/MgO/Co的隧穿磁电阻效应

3.6.8 单晶磁性隧道结Fe/Co/MgO/Co/Fe的高隧穿磁电阻效应

3.6.9 单晶磁性隧道结CoFe/MgO/CoFe的能带结构及磁电阻特性

3.6.1 0单晶磁性隧道结Fe/MgO/Cr/Fe的振荡隧穿磁电阻效应

3.6.1 1磁性隧道结CoFeB/MgO001/CoFeB的晶体结构和磁电阻效应

3.6.1 2磁性隧道结新势垒MgAl2O4、ZnAl2O4、SiMg2O4、SiZn2O4等材料的探索

3.7 有机复合磁性隧道结的第一性原理计算方法简介

3.7.1 有机复合磁性隧道结实验及理论背景

3.7.2 第一性原理与非平衡格林函数

3.7.3 纳米分子器件的自旋相关输运问题

3.7.4 铁磁/有机LB膜势垒/铁磁-复合型磁性隧道结的计算研究

3.7.5 NaCl单晶势垒磁性隧道结的自旋相关输运问题

3.8 磁性隧道结中的自旋转移力矩效应及其应用

3.8.1 磁性隧道结中的自旋转移力矩效应

3.8.2 纳米环状磁性隧道结中的自旋转移力矩效应

3.8.3 纳米椭圆环状磁性隧道结中的自旋转移力矩效应

3.8.4 纳米环状磁性隧道结在纳米振荡器中的应用

3.8.5 纳米柱状磁性隧道结在纳米振荡器中的应用

3.9 磁性隧道结在原理型和实际器件应用上的典型范例

3.9.1 磁性隧道结在计算机磁读头方面的应用

3.9.2 磁性隧道结在磁敏传感器方面的应用

3.9.3 磁性隧道结在磁随机存储器方面的应用

3.9.4 磁性隧道结在自旋晶体管和场效应晶体管方面的应用

3.9.5 磁性隧道结在磁逻辑器件方面的应用

3.9.6 磁性隧道结在忆阻器方面的应用

3.1 0磁性隧道结的研究展望

第3章 附录磁性隧道结的发展历史及其有代表性的优化结构

参考文献

第4章 庞磁电阻材料

4.1 锰氧化物的结构及其庞磁电阻效应

4.1.1 锰氧化物的晶格和电子结构

4.1.2 庞磁电阻效应和组分调节

4.1.3 层状钙钛矿结构锰氧化物的性质及其磁电阻效应

4.1.4 其他庞磁电阻材料

4.2 钙钛矿锰氧化物的电荷/轨道有序相

4.2.1 锰氧化物的电荷和轨道有序态

4.2.2 锰氧化物的电荷和轨道有序态的融化

4.3 钙钛矿锰氧化物的输运性质

4.3.1 高温输运性质——极化子输运

4.3.2 低温输运性质——本征输运

4.4 庞磁电阻效应的机制——相分离图像

4.4.1 早期的理论模型

4.4.2 锰氧化物的理论模型——模型和参数

4.4.3 锰氧化物的理论模型——单轨道模型、双轨道模型和相分离

4.4.4 锰氧化物不均匀性的试验证据——理论同试验的比较

4.4.5 相分离图像下输运性质和庞磁电阻效应

4.5 锰氧化物的低场磁电阻效应

4.5.1 锰氧化物的低场磁电阻效应及其理论模型

4.5.2 低场磁电阻效应的增强

4.6 锰氧化物在自旋电子学中的应用

4.6.1 基于锰氧化物的磁隧道结

4.6.2 基于锰氧化物的电场效应器件

4.6.3 高温超导铜氧化物/锰氧化物夹心结构和自旋极化载流子注入

4.7 庞磁电阻材料目前存在的问题和展望

参考文献

第5章 稀磁半导体的研究进展

5.1 引言

5.2 Ga，MnAs薄膜制备及其结构特征

5.3 Ga，MnAs磁性质

5.4 Ga，MnAs磁输运性质

5.5 Ga，MnAs磁光性质

5.5.1 磁圆偏振光二色性谱MCD谱

5.5.2 法拉第旋转

5.5.3 拉曼散射谱

5.5.4 铁磁共振谱

5.6 提高Ga，MnAs居里温度的方法

5.6.1 生长后低温退火热处理

5.6.2 共掺杂

5.7 空穴载流子导致铁磁性

5.8 Ga，MnAs的异质结构

5.8.1 Ga，MnAs和GaAs的带阶

5.8.2 Ga，MnAs/GaAs多层膜结构

5.8.3 Ga，MnAs基三层膜结构的自旋相关散射、层间耦合和隧穿磁阻

5.8.4 Ga，MnAs自旋共振隧穿二极管

5.9 Ga，MnAs铁磁性的电场控制

5.1 0半导体异质结构中的自旋注入

5.1 0.1 Ga，MnAs等稀磁半导体向半导体的自旋注入

5.1 0.2 铁磁金属向半导体中的自旋注入

5.1 1其他稀磁半导体的研究进展

5.1 1.1 GaN基稀磁半导体

5.1 1.2 Ⅳ族稀磁半导体

5.1 1.3 Ⅲ-Ⅵ族稀磁半导体

5.1 1.4 Ⅳ-Ⅵ族稀磁半导体

5.1 1.5 氧化物稀磁半导体

5.1 1.6 稀磁半导体量子点

5.1 2展望

参考文献

第6章 磁电阻理论

6.1 引言

6.2 铁磁金属电子结构

6.3 杂质散射

6.4 单界面

6.4.1 弹道方式

6.4.2 考虑能带效应下的界面电导

6.4.3 自旋积累效应

6.4.4 铁磁体/超导体界面的Andreev反射效应

6.5 磁电电路理论

6.6 铁磁隧道结的隧穿磁电阻效应

6.6.1 非相干的电子隧穿

6.6.2 电子的相干隧穿

6.7 钙钛矿结构的锰氧化物的庞磁电阻效应

6.7.1 未掺杂LaMnO3的电子自旋、电荷和轨道

6.7.2 掺杂LaMnO3的双交换机理

6.7.3 锰氧化物中的量子相变

参考文献

第7章 交换偏置

7.1 引言

7.2 交换偏置的基本特征

7.3 基本测量方法

7.4 理论模型

参考文献

第8章 自旋角动量转移效应

8.1 引言

8.2 自旋转移效应的提出

8.3 几类磁性多层纳米结构中的自旋转移效应

8.3.1 磁性隧道结中的自旋转移效应

8.3.2 铁磁体-Marginal费米液体-铁磁体双隧道结中的自旋转移效应

8.3.3 铁磁体-量子点-铁磁体耦合系统中的自旋转移效应

8.4 自旋转移效应对畴壁动力学的影响

8.5 自旋转移效应的实验进展

8.6 结束语

参考文献

第9章 自旋动量矩转移矩对传统技术磁化的发展

9.1 自旋动量矩转移，物理和技术上的历史性突破

9.2 传统铁磁学中的磁场诱导磁化

9.2.1 磁化的可逆转动和不可逆转动Stoner-Wohlfarth模型

9.2.2 可逆和不可逆畴壁位移

9.2.3 磁畴转动与反磁化的动力过程

9.2.4 畴壁位移的动态过程

9.2.5 用交变磁场研究磁矩进动、铁磁共振

9.2.6 磁矩进动的时间域测量

9.2.7 磁场诱导磁化过程小结

9.3 电流的自旋转移力矩STT诱导磁化的主要进展和特点

9.3.1 磁场诱导与电流诱导磁化机理的相同之处与特征

9.3.2 STT导致的磁化转动和磁化反转

9.3.3 STT导致的磁矩持续进动及自旋波的激发

9.3.4 STT诱导的畴壁位移

9.3.5 自旋泵浦、自旋流和非局域自旋进动阻尼

9.4 结束语

参考文献

第10章 磁电子学器件应用原理

10.1 巨磁电阻、隧穿磁电阻传感器

10.1.1 巨磁电阻传感器设计两要素

10.1.2 多层膜巨磁电阻传感器

10.1.3 自旋阀方向传感器

10.1.4 线性化自旋阀传感器

10.1.5 自旋阀线性位移传感器

10.1.6 磁隧道结隧穿磁电阻传感器

10.2 巨磁电阻隔离器

10.3 巨磁电阻、隧穿磁电阻硬盘读出磁头

10.3.1 巨磁电阻磁头的自旋阀单元工作的要点

10.3.2 高密度巨磁电阻读头发展对自旋阀材料的新要求

10.3.3 基于磁隧道结的新一代读出磁头

10.4 磁电阻随机存储器

10.4.1 各向异性磁电阻随机存储器的历史

10.4.2 巨磁电阻随机存储器的新篇章

10.4.3 隧穿磁电阻随机存储器的新起点

10.4.4 单配晶体管型隧穿磁电阻随机存储器面面观

10.4.5 触发器型隧穿磁电阻随机存储器的新特点

10.5 自旋转移磁化反转与纳米柱微波振荡器

10.6 自旋晶体管——磁电子器件的新理念

10.6.1 全金属双极性自旋晶体管

10.6.2 半导体双极性自旋晶体管

10.6.3 Datta-Das自旋场效应晶体管

10.6.4 热电子自旋晶体管

10.7 结束语

参考文献

彩图

《现代物理基础丛书：自旋电子学》由十余位国内对自旋电子学前沿有研究经验的著名学者撰写，共10章.较深入地论述了自旋电子学的主要内容、形成与展望，兼顾理论、实验和应用.包括，多层膜与颗粒体系的磁性和巨磁电阻；磁性隧道结，特别是较新发展的MgO单晶隧道结的结构、理论和应用；庞磁电阻材料的理论、实验与应用；稀磁半导体的磁性、磁输运等以及相关的异质结构和自旋注入等研究；磁电阻理论，包括铁磁金属的散射理论、界面效应和介观体系中的磁电电路理论；铁磁/反铁磁界面的交换偏置在器件中的作用和基本性能，主要的实验研究和理论模型；自旋动量矩转移效应、电流引起磁化的原理和在自旋阀、隧道结、铁磁体-量子点耦合等系统中的研究，自旋动量矩转移引起的磁畴转动、畴壁位移、自旋波激发、自旋泵浦、自旋流等的原理和应用，电流引起磁化与传统的磁场引起磁化的比较；自旋电子学的应用及代表性的器件，包括传感器、读出头、磁电阻随机存储器以及自旋晶体管等。

《现代物理基础丛书：自旋电子学》适用于从事物理和自旋电子学领域学习和研究的大学本科高年级学生、研究生、教师、工程师和相关的科研教学工作者。
　　1 本书是我社重点丛书、十一五国家重点图书出版规划项目《现代物理基础丛书》中的一本。
　　2 本书由南京大学翟宏如教授负责编撰，得到国内物理学界在自旋电子学前沿工作的科学家参与编写和大力支持，是这一重要科技领域国内的一部高水平的专著。