半導(dǎo)體自旋電子學(xué)

前言

半導(dǎo)體科學(xué)與技術(shù)在20世紀科學(xué)技術(shù)的突破性發(fā)展中起著關(guān)鍵的作用，它帶動了新材料、新器件、新技術(shù)和新的交叉學(xué)科的發(fā)展創(chuàng)新，并在許多技術(shù)領(lǐng)域引起了革命性變革和進步，從而產(chǎn)生了現(xiàn)代的計算機產(chǎn)業(yè)、通信產(chǎn)業(yè)和IT技術(shù)。而目前發(fā)展迅速的半導(dǎo)體微／納電子器件、光電子器件和量子信息又將推動本世紀的技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)革命，半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)已成為與國家經(jīng)濟發(fā)展、社會進步以及國防安全密切相關(guān)的重要的科學(xué)技術(shù)。

內(nèi)容概要

　　《半導(dǎo)體自旋電子學(xué)》介紹半導(dǎo)體自旋電子學(xué)的發(fā)展歷史、基本概念和研究成果，并展望了它未來的發(fā)展。引言介紹半導(dǎo)體自旋電子學(xué)的發(fā)展歷史。第1章介紹半導(dǎo)體中磁離子性質(zhì)、磁離子在晶格場中的分裂以及基態(tài)、低激發(fā)態(tài)能級特點。第2章介紹稀磁半導(dǎo)體的性質(zhì)、巨Zeeman分裂效應(yīng)和光學(xué)性質(zhì)。第3章介紹鐵磁半導(dǎo)體、鐵磁相互作用理論和影響居里溫度的因素。第4章介紹自旋電子的注入、Rashba效應(yīng)、自旋通過異質(zhì)界面的相干輸運及自旋極化電子注入的實驗和iN論。第5章介紹自旋弛豫、自旋反轉(zhuǎn)的3大機制：EY、DP和FIBAP機制以及自旋弛豫的實驗研究。第6～10章是研究專題，介紹一些最新的研究成果。第6章介紹Rashba—Dresselhaus效應(yīng)的理論基礎(chǔ)和實驗測定；第7章是自旋的光學(xué)響應(yīng)，包括自旋分裂系統(tǒng)中光注入電子自旋引發(fā)的自旋光電流和電場導(dǎo)致電子自旋極化等；第8章是自旋相干電子的操控，包括電子自旋相干及空間運動、自旋霍爾效應(yīng)、自旋流的產(chǎn)生及半導(dǎo)體中的自旋動力學(xué)等；第9章是自旋極化電子和磁疇的輸運，包括磁性半導(dǎo)體二維電子氣和量子點中的自旋輸運、磁性半導(dǎo)體中的磁疇輸運等；第10章是半導(dǎo)體量子點和量子線的自旋性質(zhì)調(diào)控。

作者簡介

夏建白，半導(dǎo)體物理專家。生于上海，原籍江蘇蘇州。1965年北京大學(xué)物理系研究生畢業(yè)。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員。在低維半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)電子態(tài)的量子理論及其應(yīng)用方面進行了系統(tǒng)的研究。2001年當(dāng)選為中國科學(xué)院院士。葛惟昆，教授, 博士生導(dǎo)師。曾任中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所副所長, 中國科學(xué)院凝聚態(tài)物理中心副主任, 美國達幕思（Dartmouth）大學(xué)副教授, 香港科技大學(xué)高級講師、教授?，F(xiàn)任香港科技大學(xué)榮休教授，中山大學(xué)教授，清華大學(xué)教授、實驗物理教學(xué)中心主任。常凱，中科院半導(dǎo)體所超晶格與微結(jié)構(gòu)國家重點實驗室研究員。1996年于北京師范大學(xué)獲博士學(xué)位；1996年至1998年中科院半導(dǎo)體所博士后；1998年至2000年比利時安特衛(wèi)普大學(xué)Research Fellow；2006年香港中文大學(xué)楊振寧Fellowship。2001年獲得百人計劃資助任中科院半導(dǎo)體所研究員。2004年度國家自然科學(xué)二等獎獲得者之一（夏建白、李樹深、常凱、朱邦芬）。目前在國際核心物理學(xué)期刊上共發(fā)表論文40余篇。

書籍目錄

第0章 緒論0.1 自旋電子學(xué)的起源——巨磁阻效應(yīng)器件0.2 自旋電子學(xué)應(yīng)用的新材料0.3 自旋電子注入和自旋輸運0.3.1 歐姆注入0.3.2 隧道注入0.3.3 彈道電子注入0.3.4 利用稀磁半導(dǎo)體在磁場下的巨Zeeman分裂效應(yīng)0.3.5 利用鐵磁半導(dǎo)體作為自旋校準器0.3.6 光學(xué)方法產(chǎn)生自旋極化電子0.4 半導(dǎo)體和納米結(jié)構(gòu)中自旋相干的光學(xué)調(diào)控0.4.1 自旋壽命的延長0.4.2 自旋通過異質(zhì)結(jié)界面的相干輸運0.4.3 自旋相干態(tài)的空間分辨0.5 自旋電子器件0.5.1 自旋發(fā)光二極管0.5.2 鐵磁場效應(yīng)晶體管0.5.3 鐵磁半導(dǎo)體隧道結(jié)參考文獻第1章 半導(dǎo)體中稀磁離子的性質(zhì)1.1 磁離子電子的組態(tài)1.2 自由磁離子的基態(tài)在晶格場中的分裂1.3 晶格場理論1.4 多電子態(tài)波函數(shù)1.5 等價算符方法1.6 半導(dǎo)體中的磁離子能級1.7 半導(dǎo)體磁離子性質(zhì)的實驗研究參考文獻第2章 稀磁半導(dǎo)體的性質(zhì)2.1 磁場下半導(dǎo)體的有效質(zhì)量理論2.2 寬禁帶稀磁半導(dǎo)體2.2.1 寬禁帶半導(dǎo)體的磁能級2.2.2 稀磁半導(dǎo)體的磁相互作用2.2.3 纖鋅礦結(jié)構(gòu)的稀磁半導(dǎo)體2.2.4 實驗觀測2.3 窄禁帶稀磁半導(dǎo)體2.3.1 窄禁帶半導(dǎo)體的磁能級2.3.2 Hg1-xMnxTe的磁光譜2.4 稀磁半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)2.4.1 稀磁半導(dǎo)體超晶格，磁場垂直于界面2.4.2 稀磁半導(dǎo)體超晶格，磁場平行于界面2.4.3 稀磁半導(dǎo)體量子點2.4.4 磁極化子效應(yīng)2.4.5 稀磁半導(dǎo)體量子線2.5 稀磁半導(dǎo)體的輸運性質(zhì)2.6 Fe2+離子的稀磁半導(dǎo)體，van Vleck磁性2.7 巨Faraday和Kerr旋轉(zhuǎn)2.7.1 磁性半導(dǎo)體的磁光性質(zhì)2.7.2 磁性半導(dǎo)體中的時間分辨Faraday和Kerr旋轉(zhuǎn)2.8 光致磁化參考文獻第3章 鐵磁半導(dǎo)體3.1 鐵磁半導(dǎo)體Ga1-xMnxAs3.2 其他鐵磁半導(dǎo)體3.3 費米能級工程3.4 團簇對鐵磁性的影響3.5 鐵磁半導(dǎo)體量子點3.6 鐵磁半導(dǎo)體的平均場理論3.6.1 鐵磁性的微觀理論3.6.2 稀磁半導(dǎo)體中的磁相互作用3.6.3 鐵磁半導(dǎo)體量子線，量子板3.6.4 鐵磁半導(dǎo)體量子點3.6.5 鐵磁半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)的第一性原理計算參考文獻第4章 自旋極化電子的注入4.1 半導(dǎo)體中電子自旋的壽命和漂移4.2 半導(dǎo)體自旋晶體管4.3 Rashba效應(yīng)4.3.1 Rashba效應(yīng)的產(chǎn)生根源4.3.2 Rashba系數(shù)的實驗測量4.3.3 Rashba系數(shù)的理論計算4.4 自旋極化電子流的產(chǎn)生和輸運4.4.1 自旋電子通過半導(dǎo)體異質(zhì)界面的相干輸運4.4.2 自旋極化電子的注入(實驗)4.4.3 自旋極化電子的注入(理論)4.5 磁性半導(dǎo)體隧穿結(jié)4.5.1 GaAs／GaMnAs異質(zhì)結(jié)基本性質(zhì)4.5.2 鐵磁／非磁／鐵磁三層結(jié)構(gòu)性質(zhì)4.5.3 鐵磁金屬和半導(dǎo)體接觸參考文獻第5章 自旋弛豫5.1 自旋弛豫時間T1和T25.2 自旋弛豫的主要機制5.2.1 EY機制5.2.2 DP機制5.2.3 DP機制，在單軸形變晶體中的自旋弛豫5.2.4 BAP機制5.2.5 EY，DP和BAP機制的比較5.3 III-V族化合物中自旋弛豫的實驗和理論研究5.3.1 光學(xué)取向方法5.3.2 InSb中的自旋弛豫(EY機制)5.3.3 GaAs中的自旋弛豫(DP機制)5.3.4 GaAs中的自旋弛豫(BAP機制)5.3.5 自旋弛豫率與受主濃度的關(guān)系5.4 量子阱中的自旋弛豫參考文獻第6章 Rashba效應(yīng)與Dresselhaus效應(yīng)6.1 反演非對稱半導(dǎo)體體系中自旋軌道相互作用導(dǎo)致的自旋分裂——Rashba效應(yīng)和Dresselhaus效應(yīng)6.1.1 有效質(zhì)量近似6.1.2 Dresselhaus效應(yīng)概述6.1.3 相對論量子力學(xué)推導(dǎo)6.2 Rashba系統(tǒng)中的自旋-軌道耦合哈密頓6.3 Rashba效應(yīng)與能帶色散6.4 Rashba參數(shù)α6.4.1 k.p公式6.4.2 用k.p方法處理自旋-軌道相互作用6.4.3 八帶模型6.4.4 五能級模型(以GaAs為例)6.5 從Shubnikov-de Haas振蕩獲取Rashba參數(shù)α參考文獻第7章 半導(dǎo)體中電子自旋的光學(xué)響應(yīng)7.1 光子的自旋7.2 半導(dǎo)體中光學(xué)躍遷的自旋守恒7.2.1 光躍遷選擇定則7.2.2 分裂能帶下的光激發(fā)7.3 自旋分裂系統(tǒng)中光注入電子自旋引發(fā)的自旋光電流7.3.1 圓偏光電流效應(yīng)(CPGE)7.3.2 自旋光電流效應(yīng)(SGE)7.4 自旋分裂系統(tǒng)中電場導(dǎo)致電子自旋極化7.5 Rashba效應(yīng)與Dresselhaus效應(yīng)的實驗區(qū)分及應(yīng)用7.6 旋光電子器件7.6.1 Rashba和Dresselhaus綜合效應(yīng)自旋場效應(yīng)晶體管7.6.2 自旋光源——發(fā)光二極管和激光器7.6.3 以傳導(dǎo)電流探測自旋流參考文獻第8章 自旋相干電子的操控8.1 實驗技術(shù)8.2 半導(dǎo)體體材料中的電子自旋相干8.3 半導(dǎo)體量子點的電子自旋相干8.4 半導(dǎo)體中自旋相干電子的空問運動8.4.1 半導(dǎo)體中沒有外磁場的相干自旋操控8.4.2 電流感應(yīng)的自旋極化8.5 自旋霍爾效應(yīng)8.5.1 自旋霍爾效應(yīng)的光學(xué)觀測8.5.2 二維電子氣的自旋霍爾效應(yīng)8.6 自旋流的產(chǎn)生8.6.1 由自旋霍爾效應(yīng)產(chǎn)生自旋流8.6.2 雙色光場產(chǎn)生自旋流8.7 半導(dǎo)體中的自旋動力學(xué)8.7.1 幾種自旋流的遷移率和擴散系數(shù)8.7.2 電場對自旋極化電流的效應(yīng)參考文獻第9章 自旋極化電子和磁疇的輸運9.1 磁性半導(dǎo)體二維電子氣中的自旋輸運9.2 量子點的自旋輸運9.2.1 鐵磁性Co引線構(gòu)成的雙壘磁隧穿結(jié)的自旋輸運9.2.2 與鐵磁性電極耦合的半導(dǎo)體量子點中的近藤效應(yīng)9.2.3 磁性半導(dǎo)體量子點的自旋輸運理論9.3 磁性半導(dǎo)體中的磁疇輸運參考文獻第10章 未來的量子點、量子線自旋電子學(xué)10.1 量子點的電子g因子10.2 量子線的g因子10.3 電場可調(diào)的g因子10.4 N摻雜對電子的Rashba系數(shù)和g因子的效應(yīng)參考文獻

章節(jié)摘錄

第0章 緒論自旋電子學(xué)研究如何利用器件中電子的自旋自由度，它起始于1988年Fert和Gruenberg分別獨立發(fā)現(xiàn)的巨磁阻效應(yīng)(GMR)這個發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生高靈敏度的磁傳感器，被用到磁硬盤中的讀出頭上。就在GMR發(fā)現(xiàn)的9年以后，1987年11月IBM公司就宣布制成了商業(yè)用的磁硬盤讀出頭。這一成果成就了一項幾十億美元的事業(yè)。目前正在研究的自旋電子學(xué)器件有：磁隨機存儲器(magnetic random accessmemory，MRAM)、自旋場效應(yīng)晶體管、自旋控制的激光器等這些器件依賴于在固體中控制自旋的能力，目的在于減小功率消耗，克服與電荷電子相聯(lián)系的速度限制，以及將來用作量子信息處理和量子計算。自旋電子學(xué)研究的內(nèi)容包括：自旋極化電子的產(chǎn)生、輸運、隧穿，以及與之聯(lián)系的光學(xué)現(xiàn)象、壽命、退相干機制等。半導(dǎo)體是研究自旋電子學(xué)的最好的材料，因為：①半導(dǎo)體中載流子數(shù)目比較少，可以研究單電子行為，而先排除多體效應(yīng)。

編輯推薦

《半導(dǎo)體自旋電子學(xué)》可供大學(xué)物理系高年級本科生、研究生和從事半導(dǎo)體自旋電子學(xué)研究的科研工作者使用。

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