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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-MR 36

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GMR 39

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GMR 47

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TiO2 181

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——LaMnO3 275

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MRAM 509

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