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第1章 自旋电子学的形成与发展&翟宏如 1

1.1两个历史性突破 1

1.2各种磁电阻和巨大磁电阻 2

1.2.1各向异性磁电阻 2

1.2.2正常磁电阻 3

1.2.3巨磁电阻 3

1.2.4隧道结磁电阻 5

1.2.5庞磁电阻 5

1.3巨磁电阻的基本原理和发现的背景 5

1.3.1铁磁金属的导电和自旋相关导电的基本原理 5

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 10

1.3.3发现巨磁电阻的物质基础是纳米技术的发展 11

1.4 20多年来自旋电子学的发展及成就 11

1.4.1振荡型的层间交换耦合 11

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 14

1.4.3半金属引人关注 16

1.4.4磁性隧道结不断取得惊人的进展 17

1.4.5 CMR材料形成一大类新材料和物理的研究领域 19

1.4.6半导体自旋电子学的发展 20

1.4.7探索中的自旋逻辑元件和自旋计算 21

1.5自旋动量矩转移——一个新的历史性突破 22

1.6自旋电子学的应用与开发 24

1.7结束语 25

参考文献 26

第2章 颗粒体系中的磁电阻效应&都有为 34

2.1颗粒体系中的静磁特性 34

2.1.1单畴临界尺寸 34

2.1.2超顺磁性 36

2.2颗粒体系中的输运特性 39

2.3金属／金属型颗粒膜的巨磁电阻效应 43

2.4间断膜的巨磁电阻效应 52

2.5金属／绝缘体型颗粒膜的磁电阻效应 55

2.6纳米颗粒固体的磁电阻效应 62

2.6.1熔淬薄带的磁电阻效应 63

2.6.2机械合金化制备的纳米固体的磁电阻效应 68

2.6.3纳米微晶材料的磁电阻效应 69

2.7有机介质中颗粒体系的磁输运 72

2.8结束语 74

参考文献 75

第3章 磁性隧道结及其隧穿磁电阻效应和器件的应用&韩秀峰 82

3.1磁性隧道结的结构原理和发展简介 82

3.2微米和纳米尺度磁性隧道结的微制备和加工 86

3.2.1磁性隧道结多层膜的沉积和生长 87

3.2.2掩膜法制备磁性隧道结 89

3.2.3深紫外曝光法制备磁性隧道结 90

3.2.4电子束曝光制备纳米磁性隧道结 92

3.2.5聚焦离子束刻蚀法制备纳米磁性隧道结 94

3.2.6磁性隧道结势垒层的氧化和热处理工艺 95

3.3磁性隧道结的电极和势垒等常用材料 98

3.3.1具有高自旋极化率的铁磁单质金属及其合金材料 98

3.3.2具有高自旋极化率的半金属电极材料 99

3.3.3具有垂直各向异性的金属磁电极材料 100

3.3.4稀磁半导体电极材料 100

3.3.5磁隧道结的势垒材料 103

3.3.6磁性隧道结中的几种有代表性的反铁磁钉扎材料 109

3.4磁性隧道结的种类 109

3.4.1三明治结构磁性隧道结 109

3.4.2自旋阀式钉扎型磁性隧道结 110

3.4.3双势垒磁性隧道结 111

3.4.4半金属磁性隧道结 112

3.4.5垂直各向异性磁性隧道结 115

3.4.6稀磁半导体复合型磁性隧道结 117

3.4.7超导复合型磁性隧道结 123

3.4.8颗粒膜复合型磁性隧道结 124

3.4.9有机复合型磁性隧道结 130

3.4.10多铁性复合磁性隧道结 137

3.4.11平面型自旋阀结构 140

3.5磁性隧道结中的量子效应及其磁电性质 142

3.5.1磁性隧道结的磁电阻对温度和偏压依赖关系 142

3.5.2磁性隧道结中的非弹性隧道谱 147

3.5.3自旋极化电子的磁激子、声子及杂质辅助隧穿 152

3.5.4磁性隧道结Co（001）/Cu（001）/A1-O/NiFe中的量子阱效应 161

3.5.5磁性隧道结的反常霍尔效应 163

3.5.6双势垒磁性隧道结中的磁电阻振荡效应 165

3.5.7双势垒磁性隧道结中的顺序隧穿模型 172

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 174

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 180

3.5.10非磁性电极隧道结中的自旋相关库仑阻塞磁电阻效应 185

3.6单晶磁性隧道结的第一性原理计算和研究方法 191

3.6.1 Layer Korringa-Kohn-Rostoker第一性原理计算方法 192

3.6.2单晶磁性隧道结Fe/MgO/Fe的隧穿磁电阻效应 195

3.6.3单晶磁性隧道结Fe/FeO/MgO/Fe的隧穿磁电阻效应 198

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 198

3.6.5单晶磁性隧道结Fe/MgO/（Au， Ag）/Fe中的量子阱效应 202

3.6.6单晶双势垒磁性隧道结Fe/MgO/Fe/MgO/Fe的量子阱效应 204

3.6.7单晶磁性隧道结Co/MgO/Co的隧穿磁电阻效应 207

3.6.8单晶磁性隧道结Fe/Co/MgO/Co/Fe的高隧穿磁电阻效应 208

3.6.9单晶磁性隧道结CoFe/MgO/CoFe的能带结构及磁电阻特性 209

3.6.10单晶磁性隧道结Fe/MgO/Cr/Fe的振荡隧穿磁电阻效应 210

3.6.11磁性隧道结CoFeB/MgO（001） /CoFeB的晶体结构和磁电阻效应 215

3.6.12磁性隧道结新势垒MgA12O4、 ZnA12O4、 SiMg2O4、 SiZn2O4等材料的探索 217

3.7有机复合磁性隧道结的第一性原理计算方法简介 220

3.7.1有机复合磁性隧道结实验及理论背景 220

3.7.2第一性原理与非平衡格林函数 225

3.7.3纳米分子器件的自旋相关输运问题 231

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 233

3.7.5 NaCl单晶势垒磁性隧道结的自旋相关输运问题 236

3.8磁性隧道结中的自旋转移力矩效应及其应用 239

3.8.1磁性隧道结中的自旋转移力矩效应 239

3.8.2纳米环状磁性隧道结中的自旋转移力矩效应 245

3.8.3纳米椭圆环状磁性隧道结中的自旋转移力矩效应 257

3.8.4纳米环状磁性隧道结在纳米振荡器中的应用 259

3.8.5纳米柱状磁性隧道结在纳米振荡器中的应用 260

3.9磁性隧道结在原理型和实际器件应用上的典型范例 262

3.9.1磁性隧道结在计算机磁读头方面的应用 263

3.9.2磁性隧道结在磁敏传感器方面的应用 265

3.9.3磁性隧道结在磁随机存储器方面的应用 270

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 277

3.9.5磁性隧道结在磁逻辑器件方面的应用 281

3.9.6磁性隧道结在忆阻器方面的应用 284

3.10磁性隧道结的研究展望 286

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 292

参考文献 299

第4章 庞磁电阻材料&刘俊明 王克锋 327

4.1锰氧化物的结构及其庞磁电阻效应 328

4.1.1锰氧化物的晶格和电子结构 328

4.1.2庞磁电阻效应和组分调节 334

4.1.3层状钙钛矿结构锰氧化物的性质及其磁电阻效应 341

4.1.4其他庞磁电阻材料 345

4.2钙钛矿锰氧化物的电荷／轨道有序相 345

4.2.1锰氧化物的电荷和轨道有序态 346

4.2.2锰氧化物的电荷和轨道有序态的融化 350

4.3钙钛矿锰氧化物的输运性质 351

4.3.1高温输运性质——极化子输运 352

4.3.2低温输运性质——本征输运 354

4.4庞磁电阻效应的机制——相分离图像 355

4.4.1早期的理论模型 355

4.4.2锰氧化物的理论模型——模型和参数 356

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 357

4.4.4锰氧化物不均匀性的试验证据——理论同试验的比较 360

4.4.5相分离图像下输运性质和庞磁电阻效应 362

4.5锰氧化物的低场磁电阻效应 367

4.5.1锰氧化物的低场磁电阻效应及其理论模型 367

4.5.2低场磁电阻效应的增强 369

4.6锰氧化物在自旋电子学中的应用 373

4.6.1基于锰氧化物的磁隧道结 373

4.6.2基于锰氧化物的电场效应器件 377

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 383

4.7庞磁电阻材料目前存在的问题和展望 387

参考文献 389

第5章 稀磁半导体的研究进展&赵建华 邓加军 郑厚植 394

5.1引言 394

5.2 （Ga，Mn）As薄膜制备及其结构特征 397

5.3 （Ga，Mn）As磁性质 401

5.4 （Ga，Mn）As磁输运性质 405

5.5 （Ga，Mn）As磁光性质 410

5.5.1磁圆偏振光二色性谱（MCD谱） 411

5.5.2法拉第旋转 413

5.5.3拉曼散射谱 414

5.5.4铁磁共振谱 416

5.6提高（Ga，Mn）As居里温度的方法 417

5.6.1生长后低温退火热处理 418

5.6.2共掺杂 421

5.7空穴载流子导致铁磁性 424

5.8 （Ga，Mn）As的异质结构 429

5.8.1 （Ga，Mn）As和GaAs的带阶 429

5.8.2 （Ga，Mn）As/GaAs多层膜结构 430

5.8.3 （Ga，Mn）As基三层膜结构的自旋相关散射、层间耦合和隧穿磁阻 431

5.8.4 （Ga，Mn）As自旋共振隧穿二极管 433

5.9 （Ga，Mn）As铁磁性的电场控制 433

5.10半导体异质结构中的自旋注入 438

5.10.1 （Ga，Mn）As等稀磁半导体向半导体的自旋注入 438

5.10.2铁磁金属向半导体中的自旋注入 441

5.11其他稀磁半导体的研究进展 442

5.11.1 GaN基稀磁半导体 442

5.11.2 Ⅳ族稀磁半导体 443

5.11.3 Ⅲ-Ⅵ族稀磁半导体 445

5.11.4 Ⅳ-Ⅵ族稀磁半导体 445

5.11.5氧化物稀磁半导体 446

5.11.6稀磁半导体量子点 446

5.12展望 448

参考文献 449

第6章 磁电阻理论&邢定钰 夏钶 456

6.1引言 456

6.2铁磁金属电子结构 459

6.3杂质散射 463

6.4单界面 466

6.4.1弹道方式 466

6.4.2考虑能带效应下的界面电导 468

6.4.3自旋积累效应 471

6.4.4铁磁体／超导体界面的Andreev反射效应 473

6.5磁电电路理论 474

6.6铁磁隧道结的隧穿磁电阻效应 478

6.6.1非相干的电子隧穿 478

6.6.2电子的相干隧穿 481

6.7钙钛矿结构的锰氧化物的庞磁电阻效应 484

6.7.1未掺杂LaMnO3的电子自旋、电荷和轨道 485

6.7.2掺杂LaMnO3的双交换机理 487

6.7.3锰氧化物中的量子相变 489

参考文献 492

第7章 交换偏置&周仕明 498

7.1引言 498

7.2交换偏置的基本特征 499

7.3基本测量方法 514

7.4理论模型 519

参考文献 527

第8章 自旋角动量转移效应&苏刚 534

8.1引言 534

8.2自旋转移效应的提出 537

8.3几类磁性多层纳米结构中的自旋转移效应 542

8.3.1磁性隧道结中的自旋转移效应 542

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 546

8.3.3铁磁体-量子点-铁磁体耦合系统中的自旋转移效应 548

8.4自旋转移效应对畴壁动力学的影响 552

8.5自旋转移效应的实验进展 556

8.6结束语 559

参考文献 561

第9章 自旋动量矩转移矩对传统技术磁化的发展&翟宏如 564

9.1自旋动量矩转移，物理和技术上的历史性突破 564

9.2传统铁磁学中的磁场诱导磁化 566

9.2.1磁化的可逆转动和不可逆转动（Stoner-Wohlfarth模型） 567

9.2.2可逆和不可逆畴壁位移 568

9.2.3磁畴转动与反磁化的动力过程 569

9.2.4畴壁位移的动态过程 571

9.2.5用交变磁场研究磁矩进动、铁磁共振 573

9.2.6磁矩进动的时间域测量 577

9.2.7磁场诱导磁化过程小结 578

9.3电流的自旋转移力矩（STT）诱导磁化的主要进展和特点 578

9.3.1磁场诱导与电流诱导磁化机理的相同之处与特征 578

9.3.2 STT导致的磁化转动和磁化反转 579

9.3.3 STT导致的磁矩持续进动及自旋波的激发 581

9.3.4 STT诱导的畴壁位移 585

9.3.5自旋泵浦、自旋流和非局域自旋进动阻尼 587

9.4结束语 589

参考文献 590

第10章 磁电子学器件应用原理&蔡建旺 596

10.1巨磁电阻、隧穿磁电阻传感器 596

10.1.1巨磁电阻传感器设计两要素 597

10.1.2多层膜巨磁电阻传感器 599

10.1.3自旋阀方向传感器 601

10.1.4线性化自旋阀传感器 603

10.1.5自旋阀线性位移传感器 606

10.1.6磁隧道结隧穿磁电阻传感器 608

10.2巨磁电阻隔离器 609

10.3巨磁电阻、隧穿磁电阻硬盘读出磁头 612

10.3.1巨磁电阻磁头的自旋阀单元工作的要点 615

10.3.2高密度巨磁电阻读头发展对自旋阀材料的新要求 618

10.3.3基于磁隧道结的新一代读出磁头 620

10.4磁电阻随机存储器 622

10.4.1各向异性磁电阻随机存储器的历史 624

10.4.2巨磁电阻随机存储器的新篇章 627

10.4.3隧穿磁电阻随机存储器的新起点 629

10.4.4单配晶体管型隧穿磁电阻随机存储器面面观 632

10.4.5触发器型隧穿磁电阻随机存储器的新特点 636

10.5自旋转移磁化反转与纳米柱微波振荡器 637

10.6自旋晶体管——磁电子器件的新理念 640

10.6.1全金属双极性自旋晶体管 640

10.6.2半导体双极性自旋晶体管 642

10.6.3 Datta-Das自旋场效应晶体管 643

10.6.4热电子自旋晶体管 644

10.7结束语 647

参考文献 648

彩图 653