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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