自旋電子材料與器件導論

第1章 磁學基礎 1
1.1 電流與磁場 1
1.2 原子的磁性 4
1.2.1 電子軌道磁矩 4
1.2.2 電子自旋磁矩 5
1.2.3 原子的總磁矩 6
1.3 物質的宏觀磁性 7
1.3.1 抗磁性材料 8
1.3.2 順磁性材料 9
1.3.3 鐵磁材料 11
1.4 磁各向異性 16
1.4.1 形狀各向異性 16
1.4.2 磁晶各向異性 19
1.4.3 磁彈各向異性與磁致伸縮 24
1.4.4 感生各向異性 27
1.4.5 垂直各向異性 29
1.5 磁疇與疇壁 36
1.5.1 磁疇的分類 37
1.5.2 疇壁的分類 39
1.5.3 磁疇的穩定性與超順磁性 43
1.5.4 磁泡 44
1.6 習題1 47
1.7 參考文獻 47
第2章 磁阻效應與器件 49
2.1 正常霍爾效應與反常霍爾效應 50
2.2 各向異性磁阻（AMR）效應 52
2.2.1 AMR的發現 52
2.2.2 典型AMR薄膜體系 53
2.2.3 典型AMR器件與應用 54
2.3 巨磁阻（GMR）效應 56
2.3.1 GMR的發現 56
2.3.2 GMR理論模型 58
2.3.3 層間交換耦合作用 59
2.3.4 自旋閥結構 60
2.3.5 顆粒膜GMR效應 61
2.4 隧穿磁阻（TMR）效應 62
2.4.1 TMR的發現 62
2.4.2 TMR簡單理論模型 65
2.4.3 相幹TMR模型 68
2.4.4 基於MgO勢壘的磁隧道結 72
2.4.5 其他磁隧道結 74
2.5 龐磁阻（CMR）效應 76
2.6 習題2 79
2.7 參考文獻 79
第3章 自旋動力學 82
3.1 磁動力學方程 82
3.1.1 電流翻轉磁矩理論 82
3.1.2 自旋流翻轉磁矩理論 86
3.2 自旋流的產生與探測 89
3.2.1 自旋極化流 89
3.2.2 純自旋流 90
3.2.3 自旋流的探測 96
3.2.4 反常自旋霍爾效應（鐵磁材料） 98
3.3 自旋力矩效應 100
3.3.1 自旋轉移力矩效應 101
3.3.2 自旋軌道力矩效應 105
3.4 習題3 109
3.5 參考文獻 110
第4章 自旋存儲器 115
4.1 磁隨機存儲器簡介 115
4.1.1 磁隨機存儲器的發展歷史 115
4.1.2 磁隨機存儲器的主要分類 117
4.2 磁隨機存儲器的工作原理 118
4.2.1 保存信息 118
4.2.2 信息讀取 121
4.3 FIELD-MRAM 122
4.3.1 磁場寫入原理 123
4.3.2 Toggle-MRAM的商業應用 127
4.4 STT-MRAM 128
4.4.1 STT-MRAM的工作原理 128
4.4.2 STT-MRAM的發展歷程 130
4.4.3 STT-MRAM的應用與展望 133
4.5 SOT-MRAM 134
4.5.1 SOT-MRAM的工作原理 135
4.5.2 SOT-MRAM的發展歷程 137
4.6 其他MRAM相關技術 143
4.6.1 VCMA與ME 143
4.6.2 熱輔助 145
4.7 MRAM的應用 147
4.7.1 MRAM在國際半導體技術藍圖中的規劃 147
4.7.2 MRAM與其他RAM的對比 148
4.8 習題4 150
4.9 參考文獻 151
第5章 磁電耦合材料與器件 156
5.1 磁電耦合效應 156
5.1.1 多鐵性簡介 156
5.1.2 多鐵性材料中的磁電耦合 160
5.2 單相多鐵性材料與器件 164
5.2.1 單相多鐵性材料的分類 164
5.2.2 BiFeO3基多鐵性材料 168
5.2.3 其他單相多鐵性材料 173
5.3 磁電復合材料與器件 174
5.3.1 “鐵磁/鐵電”型磁電復合材料 174
5.3.2 “鐵磁/電解質”型磁電復合材料 184
5.3.3 基於磁電復合材料的器件應用 185
5.4 小結 186
5.5 習題5 187
5.6 參考文獻 187
第6章 磁傳感器 192
6.1 磁傳感器的基本原理 192
6.1.1 霍爾傳感器 192
6.1.2 各向異性磁阻傳感器 196
6.1.3 GMR磁傳感器 199
6.1.4 隧穿磁阻傳感器 210
6.1.5 磁電傳感器 215
6.2 磁傳感器的應用 228
6.3 習題6 229
6.4 參考文獻 230