自旋电子学导论：上卷

《纳米科学与技术》丛书序
现代磁学的黄金时期
Golden Era of Modern Magnetism
上卷
第1章磁性纳米多层膜巨磁电阻效应及其器件1
1.1背景简介1
1.2巨磁电阻效应的发现、理论及其应用3
1.2.1巨磁电阻效应的发现和典型实验结果3
1.2.2巨磁电阻效应的理论模型10
1.2.3巨磁电阻效应的应用12
1.3巨磁电阻的影响13
1.3.1隧穿磁电阻14
1.3.2庞磁电阻15
1.3.3铁磁半导体中的磁电阻15
1.3.4纳米线以及有机体系中的磁电阻18
1.3.5非磁体系中的磁电阻效应19
1.4结论与展望20
参考文献21
第2章磁性颗粒膜中的巨磁电阻效应29
2.1磁性颗粒膜中的超顺磁性超顺磁性29
2.1.1铁磁性颗粒的磁性29
2.1.2铁磁性颗粒集合体的超顺磁性33
2.2金属/金属型磁性颗粒膜的巨磁电阻效应35
2.2.1理论解释36
2.2.2金属/金属型颗粒膜GMR效应的影响因素40
2.3金属/绝缘体型磁性颗粒膜的巨磁电阻效应44
2.4磁性纳米粒子组装颗粒膜纳米粒子组装颗粒膜的巨磁电阻效应50
2.5结束语59
参考文献60 x 第3章磁性隧道结及隧穿磁电阻相关效应65
3.1引言：磁性隧道结及其发展历程65
3.2基于不同势垒材料的单势垒磁性隧道结69
3.2.1基于非晶Al O势垒的磁性隧道结69
3.2.2基于单晶γ Al2O3势垒的磁性隧道结75
3.2.3基于非晶Ti O势垒的磁性隧道结76
3.2.4基于单晶MgO(001)势垒单晶MgO(001)势垒的磁性隧道结77
3.2.5基于尖晶石MgAl2O4(001)等新型势垒的磁性隧道结82
3.2.6基于有机材料势垒的磁性隧道结85
3.2.7基于半导体材料势垒的磁性隧道结90
3.2.8基于其他势垒的磁性隧道结92
3.3磁性隧道结中常用电极材料92
3.3.1基于单质铁磁金属材料的磁性隧道结93
3.3.2基于高自旋极化率铁磁金属合金材料的磁性隧道结93
3.3.3具有高自旋极化率的半金属电极材料半金属电极材料94
3.3.4基于垂直磁各向异性垂直磁各向异性磁电极材料的磁性隧道结97
3.3.5基于稀磁半导体电极材料的磁性隧道结99
3.3.6基于插层和复合电极材料的磁性隧道结104
3.4双势垒磁性隧道结双势垒磁性隧道结109
3.4.1基于非晶Al O双势垒的磁性隧道结110
3.4.2基于单晶MgO(001）双势垒的磁性隧道结111
3.5磁性隧道结中的物理效应115
3.5.1自旋转移力矩效应自旋转移力矩效应115
3.5.2库仑阻塞磁电阻效应库仑阻塞磁电阻效应118
3.5.3磁电阻振荡效应121
3.5.4双势垒磁性隧道结中的量子阱共振隧穿效应量子阱共振隧穿效应122
3.5.5磁性隧道结中的电场效应124
3.5.6磁性隧道结中的热自旋效应124
3.6磁性隧道结在器件中的应用127
3.6.1硬盘驱动器磁读头128
3.6.2磁性传感器128
3.6.3磁随机存取存储器磁性随机存取存储器129
3.6.4自旋纳米振荡器129
3.6.5自旋逻辑器件130
3.6.6自旋晶体管、自旋场效应晶体管130
3.6.7自旋发光二极管自旋发光二极管130
3.7研究展望136
参考文献138
附录磁性隧道结的发展历史及其有代表性的优化结构152
第4章铁磁体/反铁磁体多层结构中交换偏置的最新进展161
4.1引言161
4.2反铁磁层对磁交换偏置效应的影响163
4.3铁磁体/非磁体/反铁磁体三层膜体系中的层间交换偏置耦合165
4.4铁磁体/反铁磁体/铁磁体三层膜体系中的层间交换偏置耦合交换偏置耦合167
4.5通过磁电效应实现交换偏置的电场控制168
4.6结语169
参考文献170
第5章磁性超薄膜中厚度诱导的自旋重取向相变177
5.1唯象性描述178
5.1.1零磁场下的自旋重取向相变178
5.1.2外加磁场下的自旋重取向相变180
5.2利用磁化曲线研究自旋重取向相变182
5.3利用微观成像技术研究自旋重取向相变186
5.4利用磁化率研究自旋重取向相变190
5.4.1厚度诱导自旋重取向相变中磁化率的理论模型191
5.4.2自旋重取向相变的磁化率实验研究及与理论的比较193
5.5总结196
参考文献198
xi 第6章钙钛矿结构锰氧化物中的庞磁电阻效应及其应用203
6.1钙钛矿结构锰氧化物的CMR效应203
6.2CMR锰氧化物的制备205
6.2.1多晶陶瓷205
6.2.2单晶206
6.2.3薄膜207
6.2.4纳米颗粒、线208
6.3CMR锰氧化物的物理性质210
6.3.1晶体结构210
6.3.2电子结构213
6.3.3磁结构217
6.3.4CMR锰氧化物的磁输运行为219
6.3.5各种掺杂效应和相图222
6.3.6电荷有序和轨道有序231
6.3.7相分离相分离236
6.3.8CMR效应的理论研究242
6.4CMR锰氧化物薄膜器件和应用246
6.4.1锰基异质结及其应用247
6.4.2CMR锰氧化物隧道结及其应用252
6.4.3CMR锰氧化物铁电场效应晶体管及其应用254
6.5小结256
参考文献257
xii 第7章自旋转移力矩效应自旋转移力矩效应271
7.1引言271
7.2自旋转移力矩的基本原理273
7.2.1自旋电流自旋电流、自旋力矩自旋力矩以及它们之间的联系273
7.2.2自由电子在非磁性金属和铁磁金属界面处的散射274
7.2.3自旋转移力矩在磁异质结中的特性277
7.3自旋转移力矩驱动的多层膜磁化动力学磁化动力学284
7.3.1LLG方程LLG方程与自旋转移力矩284
7.3.2磁化动力学：宏观磁矩模型宏观磁矩模型286
7.3.3磁化动力学：微磁学模型微磁学模型简介289
7.4磁性单层膜和双层膜结构中的自旋转移291
7.4.1不均匀铁磁金属单层膜中的自旋转移291
7.4.2顺磁金属/铁磁金属双层膜中的自旋转移296
7.5对自旋转移力矩的其他研究方向的展望299
7.5.1基于铁磁绝缘体的自旋转移299
7.5.2热驱动自旋转移力矩300
7.5.3自旋转移力矩的逆效应300
7.5.4其他磁性材料中的自旋转移效应301
参考文献303
第8章自旋转移力矩效应和微磁学模拟技术313
8.1微磁学微磁学基础理论313
8.1.1布朗（Brown）稳态方程313
8.1.2磁动力学方程315
8.1.3数值模拟方法318
8.1.4微磁学计算中的单位约化323
8.2微磁学新进展324
8.2.1自旋转移力矩效应自旋转移力矩效应324
8.2.2Rashba效应Rashba效应329
8.2.3Landau Lifshitz Bloch方程Landau Lifshitz Bloch方程330
8.2.4自洽Bloch方程332
8.2.5原子尺度的微磁学原子尺度的微磁学模型333
8.3STT驱动的磁化翻转及微磁学模拟334
8.3.1STT效应的研究进展334
8.3.2STT驱动的磁化翻转微磁学模拟335
8.4STT驱动的磁涡旋极性翻转338
8.5STT驱动的自旋波激发342
8.5.1STT驱动的磁振荡342
8.5.2面内垂直双自旋极化结构343
8.6原子尺度的微磁学模拟345
8.6.1稀土过渡金属合金材料345
8.6.2三温度模型346
8.6.3稀土过渡金属薄膜材料的微磁学模型及激光退磁过程347
8.7结束语348
参考文献349
xiii 第9章铁磁共振和自旋波的电检测技术及其在自旋电子学方面的新应用
359
9.1电检测铁磁共振技术的物理原理362
9.2电检测铁磁共振信号的定量分析方法364
9.2.1磁化强度的进动364
9.2.2广义欧姆定律广义欧姆定律366
9.2.3自旋整流效应的定量分析和角对称性368
9.3铁磁共振和自旋波电检测技术的应用371
9.3.1GaMnAs薄膜中的自旋激发371
9.3.2相分辨铁磁共振谱相分辨铁磁共振谱372
9.3.3自旋波自旋波共振的电检测374
9.3.4非线性铁磁共振非线性铁磁共振和自旋波375
9.3.5异质结自旋器件中自旋泵浦效应和自旋整流效应的区分378
9.3.6微波磁场矢量探测器微波磁场矢量探测器380
9.3.7微波相位成像微波相位成像381
9.4结语383
参考文献385
第10章磁性纳米异质受限结构中的自旋和热电输运量子理论389
10.1引言389
10.2单磁性隧道结中自旋相关输运定态理论390
10.2.1无自旋的转移哈密顿量391
10.2.2单隧道结系统的哈密顿量392
10.2.3利用非平衡格林函数计算电流和电导394
10.2.4电导和隧穿磁致电阻效应隧穿磁电阻效应395
10.2.5单磁性隧道结中的自旋转移力矩397
10.2.6电子电子相互作用对电导的影响399
10.3双磁性隧道结中自旋相关输运定态理论399
10.3.1中心区为铁磁膜399
10.3.2中心区为超导体402
10.3.3中心区为量子点405
10.3.4中心区为一臂镶嵌了量子点的Aharonov Bohm环408
10.3.5自旋过滤自旋过滤：铁磁体量子点半导体双隧道结系统409
10.4自旋相关的含时输运理论412
10.4.1多铁磁端口器件：中心区存在随时间变化的栅电压412
10.4.2单磁性隧道结中含时外场对电流和自旋转移力矩的影响418
10.5具有自旋轨道耦合的量子环和自旋场效应管中激光激发的自旋动
力学420
10.5.1量子环420
10.5.2光控自旋场效应管光控自旋场效应管421
10.6自旋热电输运理论422
10.6.1热功率热功率、Peltier系数和热导率热导率423
10.6.2Wiedemann Franz定律Wiedemann Franz定律425
10.7总结425
参考文献427
xiv 第11章各种霍尔效应及其输运性质和应用433
11.1霍尔效应霍尔效应的研究简史433
11.2霍尔效应分类霍尔效应分类介绍434
11.2.1正常霍尔效应正常霍尔效应434
11.2.2反常霍尔效应反常霍尔效应440
11.2.3平面霍尔效应平面霍尔效应446
11.2.4自旋霍尔效应自旋霍尔效应449
11.2.5量子霍尔效应量子霍尔效应461
11.3本章小结464
参考文献465
第12章自旋霍尔效应、反常霍尔效应和拓扑绝缘体471
12.1整数量子霍尔效应471
12.2量子反常霍尔效应量子反常霍尔效应472
12.3量子自旋霍尔效应量子自旋霍尔效应475
参考文献479
xv 第13章介观器件中的自旋轨道耦合和自旋流483
13.1引言483
13.2自旋电子器件的理论基础485
13.2.1含有自旋轨道耦合的实空间哈密顿量485
13.2.2含有自旋轨道耦合的二次量子化哈密顿量486
13.3纳米器件中的自旋积累和自旋极化流493
13.3.1半导体中的自旋极化流493
13.3.2量子点中的自旋积累496
13.4介观小环中的持续自旋流502
13.4.1产生持续自旋流的物理图像502
13.4.2自旋轨道耦合正常复合介观小环中的持续自旋流503
13.5自旋流定义507
13.5.1线自旋流、角自旋流和连续性方程507
13.5.2一个例子：一维体系自旋流510
13.6自旋流产生的电场511
13.7展望513
参考文献514
第14章半导体中的自旋轨道耦合及其物理效应519
14.1引言519
14.2半导体中的自旋轨道耦合522
14.2.1有效质量理论有效质量理论522
14.2.2半导体量子阱中的Rashba自旋劈裂Rashba自旋劈裂524
14.3窄禁带半导体量子阱中的本征自旋霍尔效应本征自旋霍尔效应529
14.3.18带模型计算本征自旋霍尔效应530
14.3.2速度顶角修正——梯图近似534
14.3.3HgCdTe/