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目录1

第1章 导论1

1.1　磁电子学的基本概念1

1.2　磁电子学的几个核心物理问题2

1.2.1 自旋极化和自旋相关散射2

1.2.2 巨磁电阻效应和双电流模型3

1.2.3　层间交换耦合的振荡效应和磁量子阱态4

1.2.5　庞磁电阻效应及其机理5

1.2.4 自旋阀5

1.2.6 自旋积累和弛豫效应7

1.2.7 自旋相关的隧道效应和隧道磁电阻8

1.3 巨磁电阻效应与高温超导电性间的关联与渗透8

1.4　半导体磁电子学8

1.5　从自旋电子学到轨道电子学以及强关联电子学的基本概念9

1.6　关于莫尔定律的讨论10

参考文献11

2.2.1　磁电阻效应14

2.2　磁电阻和电子输运与磁性的关联效应14

2.1 引言14

第2章 巨磁电阻（GMR）效应14

2.2.2　电子输运与磁性的关联效应17

2.3 巨磁电阻的发现及其主要实验现象26

2.3.1　GMR的发现26

2.3.2 巨磁电阻效应的主要实验现象28

2.4　多层膜巨磁电阻效应材料的发展30

2.5　层间交换耦合的两类不同振荡周期32

2.6　CPP模式下的巨磁电阻效应34

2.7 微加工Fe/Cr多层膜的CPP-MR36

2.8　多层磁性纳米线的巨磁电阻37

2.9　沉积在具有微结构衬底上的多层膜GMR39

2.10　磁场诱导的巨亚铁磁态多层膜的GMR效应41

2.11 颗粒体系的巨磁电阻43

2.11.1 颗粒膜的巨磁电阻43

2.11.2　失稳分解合金的GMR47

2.12　弹道磁电阻效应48

参考文献52

3.1 引言57

第3章 巨磁电阻效应的机理及影响因素57

3.2　层间耦合效应的唯象描述和耦合类型及强度的确定58

3.3 自发磁化的能带模型与自旋相关散射62

3.3.1 自发磁化的能带模型62

3.3.2　自旋相关散射63

3.4 多层膜GMR的唯象理论——双电流模型64

3.5 AF耦合的多层膜GMR效应的理论分析66

3.6.1 铁磁金属合金的交换势和虚束缚态69

3.6 自旋相关散射的界面无规交换势微观理论69

3.6.2　金属多层膜GMR的界面无规交换势理论70

3.7　层间交换耦合理论76

3.7.1 引言76

3.7.2 类RKKY理论77

3.7.3 自由电子模型的基本概念79

3.7.4　空穴束缚模型81

3.7.5　层间交换耦合的Anderson（s-d混合）模型82

3.7.7　层间交换耦合的量子干涉模型及磁量子阱态83

3.7.6　总能量计算法83

3.8　从头计算模型93

3.9 GMR计算的介观理论模型94

3.10 自旋相关散射的计算95

3.11 巨磁电阻效应的量子理论95

3.12 多层膜GMR的电阻网络理论98

3.13 CPP-GMR的理论模型100

3.14　GMR数据的定量分析103

3.15　GMR的温度依赖关系108

3.16　GMR与相邻磁层磁化相对取向的关系110

3.17　GMR的影响因素理论分析112

3.17.1　引言112

3.17.2 自旋相关散射的非对称性及材料欠完美性的影响112

3.17.3　逆巨磁电阻效应115

3.17.4　CIP模式下的MR厚度依赖关系与标度长度119

3.17.5　CPP模式下的MR厚度依赖关系与标度长度120

参考文献121

4.1 引言128

第4章 自旋阀和隧道巨磁电阻效应128

4.2 自旋阀效应的发现及其工作原理129

4.2.1 自旋阀的结构和工作原理129

4.2.2　非磁层厚度对自旋阀磁电阻的影响131

4.2.3　反铁磁层材料的选择及影响132

4.3　交换各向异性的机理134

4.3.1 交换各向异性的理想模型134

4.3.2　界面效应与长程交换作用136

4.3.3　非补偿自旋、界面粗糙度和磁畴137

4.3.4　窘组与自旋转向耦合137

4.3.5 反铁磁层的磁各向异性及其对磁交换各向异性的影响138

4.4　隧道巨磁电阻效应142

4.4.1 FM/I/FM系隧道型巨磁电阻效应142

4.4.2　纳米颗粒膜的隧道型巨磁电阻效应150

4.4.3　TMR的量子振荡效应157

参考文献159

5.1 引言163

第5章 半导体磁电子学163

5.2　铁磁一半导体的一体化165

5.2.1　外延膜的制备165

5.2.2　在静磁场下的行为166

5.2.3　与辐射场的耦合效应168

5.2.4 自旋注入器件170

5.3　磁性半导体171

5.3.1　铁磁Ⅲ-V族半导体172

5.3.2　磁性和磁输运性质173

5.3.3 自旋相关的共振隧道效应176

5.3.4　层间磁相互作用177

5.4　新型铁磁半导体177

5.4.1 引言177

5.4.2　铁磁霍伊斯勒合金178

5.4.3　铁磁半金属氧化物179

5.4.4　CrO2型半金属磁性材料180

5.4.5 具有室温铁磁性的过渡金属掺杂的TiO2181

5.4.6　MnSb颗粒膜的室温巨正磁电阻效应181

5.4.7　CrSb的室温铁磁性183

5.4.8　稀磁半导体基体内铁磁Mn-Ge纳米团簇的磁电阻效应184

5.5 电子自旋的注入、检测和输运186

5.5.1 自旋的欧姆注入187

5.5.2　光发射二极管内自旋极化电流的注入与检测191

5.5.3　GaAs/ZnSe异质结结构的偏压自旋注入193

5.5.4 自旋的热电子注入195

5.5.5 自旋的隧道注入196

5.5.8 自旋的输运和转移197

5.5.7 自旋检测197

5.5.6　弹道电子注入197

5.6 电场对半导体磁性的调制198

5.6.1 电场辅助的磁化反向198

5.6.2　极化自旋流驱动下纳米磁体的微波振荡201

5.7　在半导体和纳米结构内的自旋相干光调制204

5.7.1 通过半导体和界面的相干自旋输运205

5.7.2　半导体异质结构的磁性掺杂205

5.7.3　核自旋的调制和量子计算206

5.8.1 电子—核自旋相互作用门压控制原理207

5.8　半导体电子—核自旋相互作用的门控207

5.8.2　伊辛铁磁态209

5.8.3　核自旋反转和复位程序210

5.9　核自旋的光控211

参考文献217

第6章 锰氧化物庞磁电阻效应概述222

6.1　引言222

6.2　CMR效应的发现及其影响223

6.2.1 亚锰酸盐磁电阻效应的发现223

6.2.2　亚锰酸盐CMR现象的发现224

6.2.3　CMR效应的分类和特点225

6.2.4　CMR锰氧化物的研究趋势227

6.3　锰氧化物的早期研究229

6.3.1　早期实验结果230

6.3.2　晶场效应与Jahn-Teller畸变233

6.3.3　双交换理论235

6.3.4　de Gennes的倾斜自旋态236

6.3.5　Goodenough的共价键理论237

6.3.6　铁磁性金属的导电模型240

6.4　锰氧化物系统的相互作用与理论模型241

6.4.1　锰氧化物系统的相互作用241

6.4.2　锰氧化物系统的理论模型243

6.5　金属—绝缘体转变245

6.5.1 强关联电子系统中的金属—绝缘体转变245

6.5.2　Mott-Hubbard绝缘体与电荷转移绝缘体246

6.5.3　锰氧化物母体相——掺杂引起的IM转变247

6.5.4　锰氧化物铁磁金属相——温度引起的MI转变248

6.5.5　锰氧化物电荷／轨道／自旋有序相——磁场引起的IM转变249

6.6　CMR锰氧化物的研究进展概述250

6.6.1 自旋—电荷—轨道有序250

6.6.2　电子相图的特征252

6.6.3　电子相分离255

6.6.4　CMR机理的主要图像258

参考文献260

7.1 引言264

第7章　钙钛矿锰氧化物的基态性质264

7.2　CMR锰氧化物的晶体结构265

7.2.1　理想钙钛矿265

7.2.2　畸变钙钛矿266

7.2.3　钙钛矿锰氧化物267

7.2.4 晶体结构对电子结构的影响272

7.3　锰氧化物的电荷—自旋—轨道有序274

7.3.1 引言274

7.3.2 自旋—轨道有序——LaMnO3275

7.3.3　半金属铁磁体276

7.3.4 自旋—轨道—电荷有序——半掺杂情形279

7.3.5　条纹型电荷有序的反铁磁体281

7.3.6　C型反铁磁体282

7.3.7　G型反铁磁体283

7.3.8　A位离子的影响283

7.4　电荷—自旋—轨道有序的理论解释284

7.4.1　x＝0的情形285

7.4.2　x≠0的情形287

7.5.1　Goodenough的离子模型290

7.5　锰氧化物的电子结构290

7.5.2　能带计算292

7.5.3　电子结构的实验观察298

参考文献302

第8章 钙钛矿锰氧化物的物理性质与电子相图307

8.1 引言307

8.2　低温铁磁态的性质308

8.2.1 电输运性质308

8.2.2　磁性质315

8.2.3　低温比热318

8.3　高温顺磁态性质321

8.3.1 磁性质321

8.3.2　电输运性质321

8.4　铁磁—顺磁相变327

8.4.1 相变的临界行为327

8.4.2　物理性质变化328

8.4.3　结构畸变与电子性质334

8.4.4　同位素效应338

8.5 电荷有序相的熔化339

8.5.1　x=1/8相339

8.5.2　x≈1/2相340

8.5.3 电子掺杂区的电荷有序相345

8.5.4　磁场诱发电荷有序的熔化346

8.5.5 其他因素导致电荷有序的熔化347

8.6　锰氧化物的电子相图352

8.6.1 宽带系352

8.6.2　中等带宽系355

8.6.3　窄带系357

8.6.4　带宽调节系357

参考文献359

第9章 钙钛矿型锰氧化物的庞磁电阻效应及其机理366

9.1 引言366

9.2　锰氧化物CMR效应及其影响因素366

9.2.1 锰氧化物CMR效应的回顾366

9.2.2　B位掺杂与CMR效应367

9.2.3　CMR效应的其他影响因素370

9.3　相分离的实验证据375

9.3.1 中等带宽系375

9.3.2　宽带系380

9.3.3　窄带系381

9.3.4 电子掺杂的锰氧化物384

9.3.5　小结385

9.4　锰氧化物CMR效应的理论解释387

9.4.1　引言387

9.4.2　极化子理论388

9.4.3　无序效应393

9.4.4 基于相分离的CMR理论395

参考文献399

第10章 低场磁电阻效应和其他新型CMR材料404

10.1 引言404

10.2　低场磁电阻效应405

10.2.1 LFMR的基本物理图像405

10.2.2　晶界磁电阻效应406

10.2.3　隧道结磁电阻效应413

10.2.4　其他LFMR材料简介413

10.3　层状钙钛矿锰氧化物420

10.3.1 锰氧化物系统的维度效应420

10.3.2　La2-2xSr1+2xMn2O7的磁电阻效应及其电子相图422

10.4　其他CMR材料简介427

10.4.1　磁性半导体427

10.4.2　Tl2Mn2O7系430

10.4.3　CMR材料的普适关系和共同特征432

参考文献433

第11章 强关联电子学437

11.1 总论437

11.1.1 引言437

11.1.2 自旋—电荷—轨道耦合与丰富多彩的电子相438

11.1.3　强关联电子的临界相控制441

11.1.4　从自旋电子学到轨道电子学444

11.1.5　强关联电子学的关键课题447

11.2.1 引言448

11.2 电子关联和铁磁材料设计的理论基础448

11.2.2　奇异态密度和磁性449

11.3　磁性氧化物人工晶格的自旋调制454

11.3.1 引言454

11.3.2　3D自旋取向调制的人工晶格及铁磁性（F）、反铁磁性（AF）456

11.3.3 自旋窘组的人工晶格457

11.3.4　多功能综合调制的人工晶格460

11.4.2　人工原子的自旋效应462

11.4.1 引言462

11.4　介观体系的关联电子462

11.4.3　量子点超晶格466

参考文献467

第12章　磁电子学的应用471

12.1 引言471

12.2 巨磁感应效应及其应用473

12.3　巨磁电阻传感器475

12.3.1　磁传感器市场分析475

12.3.3　GMR传感器476

12.3.2　磁传感器476

12.4　磁记录读出磁头489

12.4.1 引言489

12.4.2　市场拉动490

12.4.3　技术推动490

12.4.4　磁盘技术491

12.4.5　磁带492

12.4.6　磁记录和读出磁头493

12.5.1 引言500

12.5　磁电阻随机存取存储器500

12.5.2　半导体存储器501

12.5.3　磁存储器502

12.5.4　磁电阻随机存取存储器（MRAM）502

12.5.5 自旋阀型随机存储单元508

12.5.6 TMR型MRAM509

12.6 自旋晶体管511

12.7　量子计算机517

参考文献522

本书所涉及的部分名词术语中英文对照表525