目錄
序
第1章 自旋電子學(xué)的形成與發(fā)展 翟宏如（1）
1.1 兩個(gè)歷史性突破（1）
1.2 各種磁電阻和巨大磁電阻（2）
1.2.1 各向異性磁電阻（2）
1.2.2 正常磁電阻（3）
1.2.3 巨磁電阻（3）
1.2.4 隧道結(jié)磁電阻（5）
1.2.5 龐磁電阻（5）
1.3 巨磁電阻的基本原理和發(fā)現(xiàn)的背景（5）
1.3.1 鐵磁金屬的導(dǎo)電和自旋相關(guān)導(dǎo)電的基本原理（5）
1.3.2 多層膜中的層間反鐵磁交換耦合與巨磁電阻的發(fā)現(xiàn)（10）
1.3.3 發(fā)現(xiàn)巨磁電阻的物質(zhì)基礎(chǔ)是納米技術(shù)的發(fā)展（11）
1.4 20 多年來自旋電子學(xué)的發(fā)展及成就（11）
1.4.1 振蕩型的層間交換耦合（11）
1.4.2 巨磁電阻走向應(yīng)用的關(guān)鍵， 濺射工藝的采用和自旋閥（14）
1.4.3 半金屬引人關(guān)注（16）
1.4.4 磁性隧道結(jié)不斷取得驚人的進(jìn)展（17）
1.4.5 CMR材料形成一大類新材料和物理的研究領(lǐng)域（19）
1.4.6 半導(dǎo)體自旋電子學(xué)的發(fā)展（20）
1.4.7 探索中的自旋邏輯元件和自旋計(jì)算（21）
1.5 自旋動(dòng)量矩轉(zhuǎn)移——一個(gè)新的歷史性突破（22）
1.6 自旋電子學(xué)的應(yīng)用與開發(fā)（24）
1.7 結(jié)束語（25）
參考文獻(xiàn)（26）
第2章 顆粒體系中的磁電阻效應(yīng) 都有為（34）
2.1 顆粒體系中的靜磁特性（34）
2.1.1 單疇臨界尺寸（34）
2.1.2 超順磁性（36）
2.2 顆粒體系中的輸運(yùn)特性（39）
2.3 金屬/金屬型顆粒膜的巨磁電阻效應(yīng)（43）
2.4 間斷膜的巨磁電阻效應(yīng)（52）
2.5 金屬/絕緣體型顆粒膜的磁電阻效應(yīng)（55）
2.6 納米顆粒固體的磁電阻效應(yīng)（62）
2.6.1 熔淬薄帶的磁電阻效應(yīng)（63）
2.6.2 機(jī)械合金化制備的納米固體的磁電阻效應(yīng)（68）
2.6.3 納米微晶材料的磁電阻效應(yīng)（69）
2.7 有機(jī)介質(zhì)中顆粒體系的磁輸運(yùn)（72）
2.8 結(jié)束語（74）
參考文獻(xiàn)（75）
第3章 磁性隧道結(jié)及其隧穿磁電阻效應(yīng)和器件的應(yīng)用 韓秀峰（82）
3.1 磁性隧道結(jié)的結(jié)構(gòu)原理和發(fā)展簡(jiǎn)介（82）
3.2 微米和納米尺度磁性隧道結(jié)的微制備和加工（86）
3.2.1 磁性隧道結(jié)多層膜的沉積和生長(zhǎng)（87）
3.2.2 掩膜法制備磁性隧道結(jié)（89）
3.2.3 深紫外曝光法制備磁性隧道結(jié)（90）
3.2.4 電子束曝光制備納米磁性隧道結(jié)（92）
3.2.5 聚焦離子束刻蝕法制備納米磁性隧道結(jié)（94）
3.2.6 磁性隧道結(jié)勢(shì)壘層的氧化和熱處理工藝（95）
3.3 磁性隧道結(jié)的電極和勢(shì)壘等常用材料（98）
3.3.1 具有高自旋極化率的鐵磁單質(zhì)金屬及其合金材料（98）
3.3.2 具有高自旋極化率的半金屬電極材料（99）
3.3.3 具有垂直各向異性的金屬磁電極材料（100）
3.3.4 稀磁半導(dǎo)體電極材料（100）
3.3.5 磁隧道結(jié)的勢(shì)壘材料（103）
3.3.6 磁性隧道結(jié)中的幾種有代表性的反鐵磁釘扎材料（109）
3.4 磁性隧道結(jié)的種類（109）
3.4.1 三明治結(jié)構(gòu)磁性隧道結(jié)（109）
3.4.2 自旋閥式釘扎型磁性隧道結(jié)（110）
3.4.3 雙勢(shì)壘磁性隧道結(jié)（111）
3.4.4 半金屬磁性隧道結(jié)（112）
3.4.5 垂直各向異性磁性隧道結(jié)（115）
3.4.6 稀磁半導(dǎo)體復(fù)合型磁性隧道結(jié)（117）
3.4.7 超導(dǎo)復(fù)合型磁性隧道結(jié)（123）
3.4.8 顆粒膜復(fù)合型磁性隧道結(jié)（124）
3.4.9 有機(jī)復(fù)合型磁性隧道結(jié)（130）
3.4.10 多鐵性復(fù)合磁性隧道結(jié)（137）
3.4.11 平面型自旋閥結(jié)構(gòu)（140）
3.5 磁性隧道結(jié)中的量子效應(yīng)及其磁電性質(zhì)（142）
3.5.1 磁性隧道結(jié)的磁電阻對(duì)溫度和偏壓依賴關(guān)系（142）
3.5.2 磁性隧道結(jié)中的非彈性隧道譜（147）
3.5.3 自旋極化電子的磁激子、聲子及雜質(zhì)輔助隧穿（152）
3.5.4 磁性隧道結(jié)Co（001）/Cu（001）/Al-O/NiFe 中的量子阱效應(yīng)（161）
3.5.5 磁性隧道結(jié)的反�；魻栃�應(yīng)（163）
3.5.6 雙勢(shì)壘磁性隧道結(jié)中的磁電阻振蕩效應(yīng)（165）
3.5.7 雙勢(shì)壘磁性隧道結(jié)中的順序隧穿模型（172）
3.5.8 雙勢(shì)壘磁性隧道結(jié)中的自旋散射效應(yīng)和自旋翻轉(zhuǎn)長(zhǎng)度（174）
3.5.9 雙勢(shì)壘磁性隧道結(jié)中的自旋相關(guān)庫(kù)侖阻塞磁電阻效應(yīng)（180）
3.5.10 非磁性電極隧道結(jié)中的自旋相關(guān)庫(kù)侖阻塞磁電阻效應(yīng)（185）
3.6 單晶磁性隧道結(jié)的第一性原理計(jì)算和研究方法（191）
3.6.1 Layer Korringa-Kohn-Rostoker 第一性原理計(jì)算方法（192）
3.6.2 單晶磁性隧道結(jié)Fe/MgO/Fe的隧穿磁電阻效應(yīng)（195）
3.6.3 單晶磁性隧道結(jié)Fe/FeO/MgO/Fe的隧穿磁電阻效應(yīng)（198）
3.6.4 單晶磁性隧道結(jié)Fe/Mg/MgO/Fe和Fe/Mg/MgO/Mg/Fe的隧穿磁電阻效應(yīng)（198）
3.6.5 單晶磁性隧道結(jié)Fe/MgO/（Au， Ag）/Fe 中的量子阱效應(yīng)（202）
3.6.6 單晶雙勢(shì)壘磁性隧道結(jié)Fe/MgO/Fe/MgO/Fe 的量子阱效應(yīng)（204）
3.6.7 單晶磁性隧道結(jié)Co/MgO/Co 的隧穿磁電阻效應(yīng)（207）
3.6.8 單晶磁性隧道結(jié)Fe/Co/MgO/Co/Fe的高隧穿磁電阻效應(yīng)（208）
3.6.9 單晶磁性隧道結(jié)CoFe/MgO/CoFe的能帶結(jié)構(gòu)及磁電阻特性（209）
3.6.10 單晶磁性隧道結(jié)Fe/MgO/Cr/Fe的振蕩隧穿磁電阻效應(yīng)（210）
3.6.11 磁性隧道結(jié)CoFeB/MgO（001）/CoFeB的晶體結(jié)構(gòu)和磁電阻效應(yīng)（215）
3.6.12 磁性隧道結(jié)新勢(shì)壘MgAl2O4、ZnAl2O4、SiMg2O4、SiZn2O4等材料的探索（217）
3.7 有機(jī)復(fù)合磁性隧道結(jié)的第一性原理計(jì)算方法簡(jiǎn)介（220）
3.7.1 有機(jī)復(fù)合磁性隧道結(jié)實(shí)驗(yàn)及理論背景（220）
3.7.2 第一性原理與非平衡格林函數(shù)（225）
3.7.3 納米分子器件的自旋相關(guān)輸運(yùn)問題（231）
3.7.4 鐵磁/有機(jī)LB膜勢(shì)壘/鐵磁-復(fù)合型磁性隧道結(jié)的計(jì)算研究（233）
3.7.5 NaCl單晶勢(shì)壘磁性隧道結(jié)的自旋相關(guān)輸運(yùn)問題（236）
3.8 磁性隧道結(jié)中的自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)及其應(yīng)用（239）
3.8.1 磁性隧道結(jié)中的自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)（239）
3.8.2 納米環(huán)狀磁性隧道結(jié)中的自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)（245）
3.8.3 納米橢圓環(huán)狀磁性隧道結(jié)中的自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)（257）
3.8.4 納米環(huán)狀磁性隧道結(jié)在納米振蕩器中的應(yīng)用（259）
3.8.5 納米柱狀磁性隧道結(jié)在納米振蕩器中的應(yīng)用（260）
3.9 磁性隧道結(jié)在原理型和實(shí)際器件應(yīng)用上的典型范例（262）
3.9.1 磁性隧道結(jié)在計(jì)算機(jī)磁讀頭方面的應(yīng)用（263）
3.9.2 磁性隧道結(jié)在磁敏傳感器方面的應(yīng)用（265）
3.9.3 磁性隧道結(jié)在磁隨機(jī)存儲(chǔ)器方面的應(yīng)用（270）
3.9.4 磁性隧道結(jié)在自旋晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管方面的應(yīng)用（277）
3.9.5 磁性隧道結(jié)在磁邏輯器件方面的應(yīng)用（281）
3.9.6 磁性隧道結(jié)在憶阻器方面的應(yīng)用（284）
3.10 磁性隧道結(jié)的研究展望（286）
第3章 附錄磁性隧道結(jié)的發(fā)展歷史及其有代表性的優(yōu)化結(jié)構(gòu)（292）
參考文獻(xiàn)（299）
第4章 龐磁電阻材料 劉俊明 王克鋒（327）
4.1 錳氧化物的結(jié)構(gòu)及其龐磁電阻效應(yīng)（328）
4.1.1 錳氧化物的晶格和電子結(jié)構(gòu)（328）
4.1.2 龐磁電阻效應(yīng)和組分調(diào)節(jié)（334）
4.1.3 層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)錳氧化物的性質(zhì)及其磁電阻效應(yīng)（341）
4.1.4 其他龐磁電阻材料（345）
4.2 鈣鈦礦錳氧化物的電荷/軌道有序相（345）
4.2.1 錳氧化物的電荷和軌道有序態(tài)（346）
4.2.2 錳氧化物的電荷和軌道有序態(tài)的融化（350）
4.3 鈣鈦礦錳氧化物的輸運(yùn)性質(zhì)（351）
4.3.1 高溫輸運(yùn)性質(zhì)——極化子輸運(yùn)（352）
4.3.2 低溫輸運(yùn)性質(zhì)——本征輸運(yùn)（354）
4.4 龐磁電阻效應(yīng)的機(jī)制——相分離圖像（355）
4.4.1 早期的理論模型（355）
4.4.2 錳氧化物的理論模型——模型和參數(shù)（356）
4.4.3 錳氧化物的理論模型——單軌道模型、雙軌道模型和相分離（357）
4.4.4 錳氧化物不均勻性的試驗(yàn)證據(jù)——理論同試驗(yàn)的比較（360）
4.4.5 相分離圖像下輸運(yùn)性質(zhì)和龐磁電阻效應(yīng)（362）
4.5 錳氧化物的低場(chǎng)磁電阻效應(yīng)（367）
4.5.1 錳氧化物的低場(chǎng)磁電阻效應(yīng)及其理論模型（367）
4.5.2 低場(chǎng)磁電阻效應(yīng)的增強(qiáng)（369）
4.6 錳氧化物在自旋電子學(xué)中的應(yīng)用（373）
4.6.1 基于錳氧化物的磁隧道結(jié)（373）
4.6.2 基于錳氧化物的電場(chǎng)效應(yīng)器件（377）
4.6.3 高溫超導(dǎo)銅氧化物/錳氧化物夾心結(jié)構(gòu)和自旋極化載流子注入（383）
4.7 龐磁電阻材料目前存在的問題和展望（387）
參考文獻(xiàn)（389）
第5章 稀磁半導(dǎo)體的研究進(jìn)展 趙建華 鄧加軍 鄭厚植（394）
5.1 引言（394）
5.2（Ga，Mn）As 薄膜制備及其結(jié)構(gòu)特征（397）
5.3（Ga，Mn）As 磁性質(zhì)（401）
5.4（Ga，Mn）As 磁輸運(yùn)性質(zhì)（405）
5.5（Ga，Mn）As 磁光性質(zhì)（410）
5.5.1 磁圓偏振光二色性譜（MCD 譜）（411）
5.5.2 法拉第旋轉(zhuǎn)（413）
5.5.3 拉曼散射譜（414）
5.5.4 鐵磁共振譜（416）
5.6 提高（Ga，Mn）As 居里溫度的方法（417）
5.6.1 生長(zhǎng)后低溫退火熱處理（418）
5.6.2 共摻雜（421）
5.7 空穴載流子導(dǎo)致鐵磁性（424）
5.8（Ga，Mn）As的異質(zhì)結(jié)構(gòu)（429）
5.8.1（Ga，Mn）As 和GaAs的帶階（429）
5.8.2（Ga，Mn）As/GaAs多層膜結(jié)構(gòu)（430）
5.8.3（Ga，Mn）As基三層膜結(jié)構(gòu)的自旋相關(guān)散射、層間耦合和隧穿磁阻（431）
5.8.4（Ga，Mn）As自旋共振隧穿二極管（433）
5.9（Ga，Mn）As鐵磁性的電場(chǎng)控制（433）
5.10 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的自旋注入（438）
5.10.1（Ga，Mn）As等稀磁半導(dǎo)體向半導(dǎo)體的自旋注入（438）
5.10.2 鐵磁金屬向半導(dǎo)體中的自旋注入（441）
5.11 其他稀磁半導(dǎo)體的研究進(jìn)展（442）
5.11.1 GaN基稀磁半導(dǎo)體（442）
5.11.2 Ⅳ族稀磁半導(dǎo)體（443）
5.11.3 Ⅲ-Ⅵ族稀磁半導(dǎo)體（445）
5.11.4 Ⅳ-Ⅵ族稀磁半導(dǎo)體（445）
5.11.5 氧化物稀磁半導(dǎo)體（446）
5.11.6 稀磁半導(dǎo)體量子點(diǎn)（446）
5.12 展望（448）
參考文獻(xiàn)（449）
第6章 磁電阻理論 邢定鈺夏鈳（456）
6.1 引言（456）
6.2 鐵磁金屬電子結(jié)構(gòu)（459）
6.3 雜質(zhì)散射（463）
6.4 單界面（466）
6.4.1 彈道方式（466）
6.4.2 考慮能帶效應(yīng)下的界面電導(dǎo)（468）
6.4.3 自旋積累效應(yīng)（471）
6.4.4 鐵磁體/超導(dǎo)體界面的Andreev反射效應(yīng)（473）
6.5 磁電電路理論（474）
6.6 鐵磁隧道結(jié)的隧穿磁電阻效應(yīng)（478）
6.6.1 非相干的電子隧穿（478）
6.6.2 電子的相干隧穿（481）
6.7 鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的錳氧化物的龐磁電阻效應(yīng)（484）
6.7.1 未摻雜LaMnO3的電子自旋、電荷和軌道（485）
6.7.2 摻雜LaMnO3的雙交換機(jī)理（487）
6.7.3 錳氧化物中的量子相變（489）
參考文獻(xiàn)（492）
第7章 交換偏置 周仕明（498）
7.1 引言（498）
7.2 交換偏置的基本特征（499）
7.3 基本測(cè)量方法（514）
7.4 理論模型（519）
參考文獻(xiàn)（527）
第8章 自旋角動(dòng)量轉(zhuǎn)移效應(yīng) 蘇剛（534）
8.1 引言（534）
8.2 自旋轉(zhuǎn)移效應(yīng)的提出（537）
8.3 幾類磁性多層納米結(jié)構(gòu)中的自旋轉(zhuǎn)移效應(yīng)（542）
8.3.1 磁性隧道結(jié)中的自旋轉(zhuǎn)移效應(yīng)（542）
8.3.2 鐵磁體-Marginal費(fèi)米液體-鐵磁體雙隧道結(jié)中的自旋轉(zhuǎn)移效應(yīng)（546）
8.3.3 鐵磁體-量子點(diǎn)-鐵磁體耦合系統(tǒng)中的自旋轉(zhuǎn)移效應(yīng)（548）
8.4 自旋轉(zhuǎn)移效應(yīng)對(duì)疇壁動(dòng)力學(xué)的影響（552）
8.5 自旋轉(zhuǎn)移效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展（556）
8.6 結(jié)束語（559）
參考文獻(xiàn)（561）
第9章 自旋動(dòng)量矩轉(zhuǎn)移矩對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)磁化的發(fā)展 翟宏如（564）
9.1 自旋動(dòng)量矩轉(zhuǎn)移，物理和技術(shù)上的歷史性突破（564）
9.2 傳統(tǒng)鐵磁學(xué)中的磁場(chǎng)誘導(dǎo)磁化（566）
9.2.1 磁化的可逆轉(zhuǎn)動(dòng)和不可逆轉(zhuǎn)動(dòng)（Stoner-Wohlfarth 模型）（567）
9.2.2 可逆和不可逆疇壁位移（568）
9.2.3 磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)與反磁化的動(dòng)力過程（569）
9.2.4 疇壁位移的動(dòng)態(tài)過程（571）
9.2.5 用交變磁場(chǎng)研究磁矩進(jìn)動(dòng)、鐵磁共振（573）
9.2.6 磁矩進(jìn)動(dòng)的時(shí)間域測(cè)量（577）
9.2.7 磁場(chǎng)誘導(dǎo)磁化過程小結(jié)（578）
9.3 電流的自旋轉(zhuǎn)移力矩（STT） 誘導(dǎo)磁化的主要進(jìn)展和特點(diǎn)（578）
9.3.1 磁場(chǎng)誘導(dǎo)與電流誘導(dǎo)磁化機(jī)理的相同之處與特征（578）
9.3.2 STT導(dǎo)致的磁化轉(zhuǎn)動(dòng)和磁化反轉(zhuǎn)（579）
9.3.3 STT導(dǎo)致的磁矩持續(xù)進(jìn)動(dòng)及自旋波的激發(fā)（581）
9.3.4 STT誘導(dǎo)的疇壁位移（585）
9.3.5 自旋泵浦、自旋流和非局域自旋進(jìn)動(dòng)阻尼（587）
9.4 結(jié)束語（589）
參考文獻(xiàn)（590）
第10章 磁電子學(xué)器件應(yīng)用原理 蔡建旺（596）
10.1 巨磁電阻、隧穿磁電阻傳感器（596）
10.1.1 巨磁電阻傳感器設(shè)計(jì)兩要素（597）
10.1.2 多層膜巨磁電阻傳感器（599）
10.1.3 自旋閥方向傳感器（601）
10.1.4 線性化自旋閥傳感器（603）
10.1.5 自旋閥線性位移傳感器（606）
10.1.6 磁隧道結(jié)隧穿磁電阻傳感器（608）
10.2 巨磁電阻隔離器（609）
10.3 巨磁電阻、隧穿磁電阻硬盤讀出磁頭（612）
10.3.1 巨磁電阻磁頭的自旋閥單元工作的要點(diǎn)（615）
10.3.2 高密度巨磁電阻讀頭發(fā)展對(duì)自旋閥材料的新要求（618）
10.3.3 基于磁隧道結(jié)的新一代讀出磁頭（620）
10.4 磁電阻隨機(jī)存儲(chǔ)器（622）
10.4.1 各向異性磁電阻隨機(jī)存儲(chǔ)器的歷史（624）
10.4.2 巨磁電阻隨機(jī)存儲(chǔ)器的新篇章（627）
10.4.3 隧穿磁電阻隨機(jī)存儲(chǔ)器的新起點(diǎn)（629）
10.4.4 單配晶體管型隧穿磁電阻隨機(jī)存儲(chǔ)器面面觀（632）
10.4.5 觸發(fā)器型隧穿磁電阻隨機(jī)存儲(chǔ)器的新特點(diǎn)（636）
10.5 自旋轉(zhuǎn)移磁化反轉(zhuǎn)與納米柱微波振蕩器（637）
10.6 自旋晶體管——磁電子器件的新理念（640）
10.6.1 全金屬雙極性自旋晶體管（640）
10.6.2 半導(dǎo)體雙極性自旋晶體管（642）
10.6.3 Datta-Das自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管（643）
10.6.4 熱電子自旋晶體管（644）
10.7 結(jié)束語（647）
參考文獻(xiàn)（648）
彩圖（653）