上卷

第1章 磁性纳米多层膜巨磁电阻效应及其器件

1.1 背景简介

1.2 巨磁电阻效应的发现、理论及其应用

1.2.1 巨磁电阻效应的发现和典型实验结果

1.2.2 巨磁电阻效应的理论模型

1.2.3 巨磁电阻效应的应用

1.3 巨磁电阻的影响

1.3.1 隧穿磁电阻

1.3.2 庞磁电阻

1.3.3 铁磁半导体中的磁电阻

1.3.4 纳米线以及有机体系中的磁电阻

1.3.5 非磁体系中的磁电阻效应

1.4 结论与展望

参考文献

第2章 磁性颗粒膜中的巨磁电阻效应

2.1 磁性颗粒膜中的超顺磁性

2.1.1 铁磁性颗粒的磁性

2.1.2 铁磁性颗粒集合体的超顺磁性

2.2 金属／金属型磁性颗粒膜的巨磁电阻效应

2.2.1 理论解释

2.2.2 金属／金属型颗粒膜GMR效应的影响因素

2.3 金属／绝缘体型磁性颗粒膜的巨磁电阻效应

2.4 磁性纳米粒子组装颗粒膜的巨磁电阻效应

2.5 结束语

参考文献

第3章 磁性隧道结及隧穿磁电阻相关效应

3.1 引言：磁性隧道结及其发展历程

3.2 基于不同势垒材料的单势垒磁性隧道结

3.2.1 基于非晶Al-O势垒的磁性隧道结

3.2.2 基于单晶γ-Al2O3势垒的磁性隧道结

3.2.3 基于非晶Ti-O势垒的磁性隧道结

3.2.4 基于单晶MgO（001）势垒的磁性隧道结

3.2.5 基于尖晶石MgAl2O4（001）等新型势垒的磁性隧道结

3.2.6 基于有机材料势垒的磁性隧道结

3.2.7 基于半导体材料势垒的磁性隧道结

3.2.8 基于其他势垒的磁性隧道结

3.3 磁性隧道结中常用电极材料

3.3.1 基于单质铁磁金属材料的磁性隧道结

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

3.3.3 具有高自旋极化率的半金属电极材料

3.3.4 基于垂直磁各向异性磁电极材料的磁性隧道结

3.3.5 基于稀磁半导体电极材料的磁性隧道结

3.3.6 基于插层和复合电极材料的磁性隧道结

3.4 双势垒磁性隧道结

3.4.1 基于非晶Al-O双势垒的磁性隧道结

3.4.2 基于单晶MgO（001）双势垒的磁性隧道结

3.5 磁性隧道结中的物理效应

3.5.1 自旋转移力矩效应

3.5.2 库仑阻塞磁电阻效应

3.5.3 磁电阻振荡效应

3.5.4 双势垒磁性隧道结中的量子阱共振隧穿效应

3.5.5 磁性隧道结中的电场效应

3.5.6 磁性隧道结中的热自旋效应

3.6 磁性隧道结在器件中的应用

3.6.1 硬盘驱动器磁读头

3.6.2 磁性传感器

3.6.3 磁性随机存取存储器

3.6.4 自旋纳米振荡器

3.6.5 自旋逻辑器件

3.6.6 自旋晶体管、自旋场效应晶体管

3.6.7 自旋发光二极管

3.7 研究展望

参考文献

附录 磁性隧道结的发展历史及其有代表性的优化结构

第4章 铁磁体／反铁磁体多层结构中交换偏置的最新进展

4.1 引言

4.2 反铁磁层对磁交换偏置效应的影响

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

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

4.5 通过磁-电效应实现交换偏置的电场控制

4.6 结语

参考文献

第5章 磁性超薄膜中厚度诱导的自旋重取向相变

5.1 唯象性描述

5.1.1 零磁场下的自旋重取向相变

5.1.2 外加磁场下的自旋重取向相变

5.2 利用磁化曲线研究自旋重取向相变

5.3 利用微观成像技术研究自旋重取向相变

5.4 利用磁化率研究自旋重取向相变

5.4.1 厚度诱导自旋重取向相变中磁化率的理论模型

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

5.5 总结

参考文献

第6章 钙钛矿结构锰氧化物中的庞磁电阻效应及其应用

6.1 钙钛矿结构锰氧化物的CMR效应

6.2 CMR锰氧化物的制备

6.2.1 多晶陶瓷

6.2.2 单晶

6.2.3 薄膜

6.2.4 纳米颗粒、线

6.3 CMR锰氧化物的物理性质

6.3.1 晶体结构

6.3.2 电子结构

6.3.3 磁结构

6.3.4 CMR锰氧化物的磁输运行为

6.3.5 各种掺杂效应和相图

6.3.6 电荷有序和轨道有序

6.3.7 相分离

6.3.8 CMR效应的理论研究

6.4 CMR锰氧化物薄膜器件和应用

6.4.1 锰基异质结及其应用

6.4.2 CMR锰氧化物隧道结及其应用

6.4.3 CMR锰氧化物铁电场效应晶体管及其应用

6.5 小结

参考文献

第7章 自旋转移力矩效应

7.1 引言

7.2 自旋转移力矩的基本原理

7.2.1 自旋电流、自旋力矩以及它们之间的联系

7.2.2 自由电子在非磁性金属和铁磁金属界面处的散射

7.2.3 自旋转移力矩在磁异质结中的特性

7.3 自旋转移力矩驱动的多层膜磁化动力学

7.3.1 LLG方程与自旋转移力矩

7.3.2 磁化动力学：宏观磁矩模型

7.3.3 磁化动力学：微磁学模型简介

7.4 磁性单层膜和双层膜结构中的自旋转移

7.4.1 不均匀铁磁金属单层膜中的自旋转移

7.4.2 顺磁金属／铁磁金属双层膜中的自旋转移

7.5 对自旋转移力矩的其他研究方向的展望

7.5.1 基于铁磁绝缘体的自旋转移

7.5.2 热驱动自旋转移力矩

7.5.3 自旋转移力矩的逆效应

7.5.4 其他磁性材料中的自旋转移效应

参考文献

第8章 自旋转移力矩效应和微磁学模拟技术

8.1 微磁学基础理论

8.1.1 布朗（Brown）稳态方程

8.1.2 磁动力学方程

8.1.3 数值模拟方法

8.1.4 微磁学计算中的单位约化

8.2 微磁学新进展

8.2.1 自旋转移力矩效应

8.2.2 Rashba效应

8.2.3 Landau-Lifshitz-Bloch方程

8.2.4 自洽Bloch方程

8.2.5 原子尺度的微磁学模型

8.3 STT驱动的磁化翻转及微磁学模拟

8.3.1 STT效应的研究进展

8.3.2 STT驱动的磁化翻转微磁学模拟

8.4 STT驱动的磁涡旋极性翻转

8.5 STT驱动的自旋波激发

8.5.1 STT驱动的磁振荡

8.5.2 面内-垂直双自旋极化结构

8.6 原子尺度的微磁学模拟

8.6.1 稀土-过渡金属合金材料

8.6.2 三温度模型

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

8.7 结束语

参考文献

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

9.1 电检测铁磁共振技术的物理原理

9.2 电检测铁磁共振信号的定量分析方法

9.2.1 磁化强度的进动

9.2.2 广义欧姆定律

9.2.3 自旋整流效应的定量分析和角对称性

9.3 铁磁共振和自旋波电检测技术的应用

9.3.1 GaMnAs薄膜中的自旋激发

9.3.2 相分辨铁磁共振谱

9.3.3 自旋波共振的电检测

9.3.4 非线性铁磁共振和自旋波

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

9.3.6 微波磁场矢量探测器

9.3.7 微波相位成像

9.4 结语

参考文献

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

10.1 引言

10.2 单磁性隧道结中自旋相关输运定态理论

10.2.1 无自旋的转移哈密顿量

10.2.2 单隧道结系统的哈密顿量

10.2.3 利用非平衡格林函数计算电流和电导

10.2.4 电导和隧穿磁电阻效应

10.2.5 单磁性隧道结中的自旋转移力矩

10.2.6 电子-电子相互作用对电导的影响

10.3 双磁性隧道结中自旋相关输运定态理论

10.3.1 中心区为铁磁膜

10.3.2 中心区为超导体

10.3.3 中心区为量子点

10.3.4 中心区为一臂镶嵌了量子点的Aharonov-Bohm环

10.3.5 自旋过滤：铁磁体-量子点-半导体双隧道结系统

10.4 自旋相关的含时输运理论

10.4.1 多铁磁端口器件：中心区存在随时间变化的栅电压

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

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

10.5.1 量子环

10.5.2 光控自旋场效应管

10.6 自旋热电输运理论

10.6.1 热功率、Peltier系数和热导率

10.6.2 Wiedemann-Franz定律

10.7 总结

参考文献

第11章 各种霍尔效应及其输运性质和应用

11.1 霍尔效应的研究简史

11.2 霍尔效应分类介绍

11.2.1 正常霍尔效应

11.2.2 反常霍尔效应

11.2.3 平面霍尔效应

11.2.4 自旋霍尔效应

11.2.5 量子霍尔效应

11.3 本章小结

参考文献

第12章 自旋霍尔效应、反常霍尔效应和拓扑绝缘体

12.1 整数量子霍尔效应

12.2 量子反常霍尔效应

12.3 量子自旋霍尔效应

参考文献

第13章 介观器件中的自旋轨道耦合和自旋流

13.1 引言

13.2 自旋电子器件的理论基础

13.2.1 含有自旋轨道耦合的实空间哈密顿量

13.2.2 含有自旋轨道耦合的二次量子化哈密顿量

13.3 纳米器件中的自旋积累和自旋极化流

13.3.1 半导体中的自旋极化流

13.3.2 量子点中的自旋积累

13.4 介观小环中的持续自旋流

13.4.1 产生持续自旋流的物理图像

13.4.2 自旋轨道耦合-正常复合介观小环中的持续自旋流

13.5 自旋流定义

13.5.1 线自旋流、角自旋流和连续性方程

13.5.2 一个例子：一维体系自旋流

13.6 自旋流产生的电场

13.7 展望

参考文献

第14章 半导体中的自旋轨道耦合及其物理效应

14.1 引言

14.2 半导体中的自旋轨道耦合

14.2.1 有效质量理论

14.2.2 半导体量子阱中的Rashba自旋劈裂

14.3 窄禁带半导体量子阱中的本征自旋霍尔效应

14.3.1 8带模型计算本征自旋霍尔效应

14.3.2 速度顶角修正——梯图近似

14.3.3 HgCdTe/CdTe量子阱中量子相变致本征自旋霍尔效应

14.4 拓扑绝缘体

14.4.1 拓扑绝缘体中的反常电子轨道

14.4.2 拓扑绝缘体表面电子引发的可控RKKY相互作用

14.4.3 拓扑绝缘体量子点

14.4.4 极化场驱动的拓扑绝缘体量子相变

14.5 结束语

参考文献

第15章 磁性阻挫系统

15.1 自旋系统中阻挫的引入

15.2 经典自旋体系中的磁性阻挫

15.2.1 二维几何阻挫Ising模型

15.2.2 三维几何阻挫系统与自旋冰

15.2.3 连续自旋模型与计算模拟

15.3 量子自旋体系中的磁性阻挫

15.3.1 一维Heisenberg链与阻挫驱动的量子相变

15.3.2 二维J1-J2模型与无序诱导的有序

15.3.3 阻挫自旋系统的低能磁激发

15.3.4 量子自旋液体与分数激发

15.4 展望

参考文献

索引

彩图

下卷

第16章 热自旋电子学

16.1 卡诺电子学的发展背景

16.2 自旋相关热电理论及实验进展

16.2.1 塞贝克效应及其理论

16.2.2 双电流模型

16.2.3 自旋相关热电理论

16.2.4 自旋相关热电效应实验进展

16.3 自旋塞贝克效应及其相关效应

16.3.1 自旋霍尔效应和逆自旋霍尔效应

16.3.2 自旋塞贝克效应

16.3.3 自旋能斯特效应

16.3.4 Pt邻近效应

16.3.5 自旋霍尔磁电阻

16.4 磁性隧道结

16.4.1 磁性隧道结的热电理论计算

16.4.2 磁性隧道结的热电实验进展

16.5 热诱导的自旋转移力矩

16.6 结束语

参考文献

第17章 Ⅲ-Ⅴ族磁性半导体（Ga,Mn）As

17.1 p-d交换作用Zener模型

17.2 高居里温度（Ga,Mn）As的制备

17.2.1 重Mn掺杂

17.2.2 自上而下微纳加工（Ga,Mn）As纳米条

17.2.3 自下而上自组织生长（Ga,Mn）As纳米线

17.2.4 磁邻近效应

17.3 （Ga,Mn）As的自旋超快动力学

17.3.1 电子自旋超快激发与弛豫动力学过程及其相关物理机制

17.3.2 光控磁化翻转及其动力学过程研究

17.3.3 全光相干自旋波激发与动力学过程研究

17.4 （Ga,Mn）As的费米能级问题

17.4.1 价带模型

17.4.2 杂质带模型

17.5 基于（Ga,Mn）As的器件物理效应

17.5.1 电场调控磁化矢量的转动

17.5.2 电场调控居里温度

17.5.3 铁磁金属／（Ga,Mn）As复合隧道结

17.6 展望

参考文献

第18章 氧化物稀磁半导体

18.1 研究背景

18.1.1 引言

18.1.2 稀磁半导体的发展历程

18.2 氧化物稀磁半导体薄膜的制备

18.2.1 制备方法

18.2.2 制备条件

18.3 氧化物稀磁半导体的结构及表征

18.3.1 氧化物半导体的晶体结构与特性

18.3.2 氧化物稀磁半导体结构表征

18.4 氧化物稀磁半导体的磁性

18.4.1 3d过渡金属掺杂氧化物稀磁半导体

18.4.2 共掺杂氧化物稀磁半导体

18.4.3 非磁性元素掺杂和不掺杂的氧化物稀磁半导体

18.5 氧化物稀磁半导体的输运性质

18.5.1 载流子浓度与铁磁性的关系

18.5.2 反常霍尔效应

18.6 氧化物稀磁半导体的理论计算

18.6.1 第一性原理计算方法

18.6.2 磁交换能的计算

18.6.3 电子结构分析

18.6.4 Tc的计算

18.7 氧化物稀磁半导体的磁性产生模型

18.7.1 载流子诱导的铁磁性理论

18.7.2 束缚磁极子理论

18.7.3 电荷转移的铁磁性理论

18.8 氧化物稀磁半导体及其异质结中的磁电阻效应

18.8.1 氧化物稀磁半导体的磁电阻效应

18.8.2 氧化物稀磁半导体基的磁性隧道结

18.9 总结与展望

参考文献

第19章 有机半导体异质结构及其磁电阻效应

19.1 垂直结构有机自旋阀器件的制备

19.2 铁磁有机界面的自旋注入

19.3 有机半导体中的自旋弛豫

19.4 有机材料中的隧穿磁电阻现象

19.5 自旋调控的有机电子学器件

19.6 小结

参考文献

第20章 有机复合磁性纳米结构中的理论计算研究

20.1 有机复合磁性纳米结构简介

20.2 基于有机复合磁性纳米结构的理论简介

20.2.1 唯象的理论方法

20.2.2 第一性原理有机物-金属界面的计算方法

20.2.3 非平衡态格林函数方法

20.2.4 其他效应的理论方法

20.3 有机复合磁性纳米结构的结构特性

20.3.1 有机物-磁性金属界面

20.3.2 有机物-绝缘体界面

20.3.3 双面有机物-磁性金属结合的结构

20.3.4 其他与有机物相关的界面结构

20.4 有机复合磁性纳米结构的自旋相关输运特征

20.4.1 基于有机物的隧穿磁电阻效应

20.4.2 与有机物相关的界面耦合效应

20.4.3 自旋相关杂化对输运的影响

20.4.4 电流驱动下的有机物结构转变效应

20.4.5 其他有机物中的自旋相关输运特性

20.5 有机磁性纳米复合结构的应用前景展望

20.5.1 与自旋相关的有机随机存储器

20.5.2 有机自旋晶体管

20.5.3 基于有机材料的自旋发光二极管

20.5.4 基于有机物的自旋流发射源

20.6 总结与展望

参考文献

第21章 碳基自旋电子学

21.1 基于石墨烯的自旋电子学

21.1.1 石墨烯简介

21.1.2 自旋注入

21.1.3 石墨烯自旋阀器件

21.1.4 自旋输运和自旋调控

21.1.5 基于石墨烯纳米带的自旋电子学

21.1.6 小结

21.2 基于碳纳米管的自旋电子学

21.2.1 碳纳米管简介

21.2.2 碳纳米管自旋阀器件

21.2.3 碳管中的自旋输运和调控

21.2.4 小结

21.3 基于有机半导体和富勒烯的自旋阀器件

21.4 总结和展望

参考文献

第22章 单相多铁性材料与磁电耦合效应

22.1 多铁性材料的发展历史

22.2 多铁性材料与磁电耦合

22.3 单相多铁性材料的分类

22.4 第Ⅰ类多铁性材料

22.4.1 方硼盐和含do构型离子的钙钛矿氧化物

22.4.2 6s2孤对电子导致的铁电性

22.4.3 结构相变导致的铁电性

22.4.4 电荷有序导致的铁电性

22.5 第Ⅱ类多铁性材料

22.5.1 交换收缩导致的铁电性

22.5.2 非共线螺磁结构导致的铁电性

22.6 单相多铁性材料的应用及原型器件

22.7 总结和展望

参考文献

第23章 多铁性材料BiFeO3的性质和应用

23.1 BFO的晶体结构

23.1.1 单晶BFO的晶体结构和相变

23.1.2 BFO薄膜——应力作用下的低对称相

23.2 BFO的电学性质

23.2.1 BFO的输运性质

23.2.2 BFO的铁电性

23.2.3 铁电畴和畴壁

23.3 BFO中的磁有序和磁电耦合效应

23.3.1 BFO的磁结构

23.3.2 BFO中的磁电耦合效应

23.4 基于BFO异质结的交换耦合作用及器件应用

23.5 开放性问题和未来的研究方向

参考文献

第24章 基于磁电耦合效应的电控磁性研究

24.1 多铁体中的电控磁性

24.1.1 BiFeO3中的电控磁性

24.1.2 其他多铁异质结中的电控磁性

24.1.3 多铁体中电控磁性的其他表现形式

24.2 基于Rashba自旋轨道耦合作用的电控自旋

24.2.1 自旋轨道耦合作用简介

24.2.2 半导体材料中自旋轨道耦合效应

24.2.3 金属表面Rashba自旋轨道耦合作用

24.2.4 其他一些材料中的Rashba自旋轨道耦合作用

24.2.5 基于Rashba自旋轨道耦合作用的量子自旋器件

24.3 电控磁各向异性

24.3.1 铁磁／铁电异质结中电场对磁各向异性的调控

24.3.2 外加电场对于材料磁各向异性的影响

24.3.3 基于电场调控磁各向异性的相关器件的研究

24.4 广义磁电效应

参考文献

第25章 自旋结构的高分辨电子显微测量技术

25.1 自旋极化低能电子显微术

25.1.1 简介

25.1.2 SPLEEM工作原理

25.1.3 SPLEEM仪器介绍

25.1.4 典型SPLEEM实验举例

25.2 洛伦兹透射电子显微术

25.2.1 简介

25.2.2 洛伦兹透射电子显微镜原理

25.2.3 洛伦兹透射电子显微镜应用举例

25.3 同步辐射光电子激发电子显微术

25.3.1 同步辐射偏振X射线的实现

25.3.2 X射线吸收磁圆二色

25.3.3 X射线吸收磁线二色

25.3.4 光电子激发电子显微术

25.4 总结

参考文献

第26章 微纳米加工技术及工艺

26.1 引言

26.2 薄膜沉积

26.2.1 磁控溅射

26.2.2 电子束蒸发沉积

26.2.3 分子束外延

26.2.4 脉冲激光沉积

26.2.5 化学气相沉积

26.2.6 原子层沉积

26.2.7 电化学沉积

26.3 图形制作

26.3.1 光学曝光技术

26.3.2 电子束曝光

26.3.3 纳米压印

26.3.4 自组装技术

26.4 图形转移

26.4.1 溶脱剥离工艺

26.4.2 刻蚀工艺

26.5 自旋电子器件的微纳米加工实例

26.5.1 磁性隧道结器件的微纳米加工

26.5.2 自旋注入和探测器件的微制备

参考文献

第27章 自旋电子学的器件应用

27.1 硬盘驱动器磁读头

27.1.1 硬盘驱动器磁记录发展历程简述

27.1.2 基于各向异性磁电阻的硬盘驱动器磁读头

27.1.3 基于巨磁电阻效应的硬盘驱动器磁读头

27.1.4 基于隧穿磁电阻效应的硬盘驱动器磁读头

27.1.5 硬盘驱动器磁读头的发展趋势

27.2 磁敏传感器

27.2.1 磁敏传感器的种类及性能简介

27.2.2 各向异性磁电阻磁敏传感器

27.2.3 巨磁电阻磁敏传感器

27.2.4 巨磁电阻隔离器

27.2.5 隧穿磁电阻磁敏传感器

27.2.6 磁敏传感器的应用

27.3 磁随机存取存储器

27.3.1 磁随机存取存储器简介

27.3.2 磁芯存储器

27.3.3 基于各向异性磁电阻和巨磁电阻效应的磁随机存取存储器

27.3.4 星型磁场驱动磁随机存取存储器

27.3.5 热辅助式磁随机存取存储器

27.3.6 嵌套型磁随机存取存储器

27.3.7 基于STT效应的电流驱动型磁随机存取存储器

27.3.8 基于纳米环以及纳米椭圆环状MTJ的磁随机存取存储器

27.3.9 赛道型磁性存储器

27.3.10 基于自旋轨道耦合效应的磁随机存取存储器

27.4 自旋纳米振荡器

27.5 自旋转移力矩二极管

27.6 自旋逻辑器件

27.7 自旋晶体管、自旋场效应晶体管

27.8 自旋忆阻器

27.9 自旋随机数字发生器

27.10 自旋电子学和微电子学发展历史的对比及其展望

参考文献

第28章 自旋电子学发展态势分析

28.1 引言

28.2 自旋电子学领域SCI论文时空分布

28.2.1 自旋电子学领域SCI论文发文量趋势及学科分布

28.2.2 自旋电子学领域SCI论文排名前十位国家及科研机构

28.2.3 自旋电子学领域项目资助情况

28.3 自旋电子学领域专利时空分布

28.3.1 自旋电子学领域专利申请量趋势

28.3.2 自旋电子学领域专利申请量排名前十位国家及企业

28.3.3 专利研发重点领域及各国技术布局差异：国际专利分类统计

28.3.4 自旋电子学领域高被引专利：专利引证分析

28.4 自旋电子学领域研究前沿可视化分析

28.4.1 知识图谱可视化分析方法及模型

28.4.2 自旋电子学研究前沿及发展趋势

28.5 自旋电子学领域专利技术全景地图及竞争力分析

28.5.1 自旋电子学领域专利技术全景地图

28.5.2 磁读头、磁敏传感器和磁随机存储器技术领域专利趋势

28.5.3 高价值专利及其专利权人竞争力分析

28.5.4 专利侵权诉讼及涉诉专利重点分析

28.5.5 自旋电子学技术领域国际市场专利保护策略

28.6 展望

参考文献

索引