半導體自旋電子學
半導體自旋電子學
作 者：夏建白 等 著
叢 書 名：半導體科學與技術叢書
半導體自旋電子學
《半導體自旋電子學》介紹半導體自旋電子學的發展歷史、基本概念和研究成果，並展望了它未來的發展。引言介紹半導體自旋電子學的發展歷史。第1章介紹半導體中磁離子性質、磁離子在晶格場中的分裂以及基態、低激發態能級特點。第2章介紹稀磁半導體的性質、巨Zeeman分裂效應和光學性質。第3章介紹鐵磁半導體、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、自旋通過異質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效應的理論基礎和實驗測定；第7章是自旋的光學響應，包括自旋分裂系統中光注入電子自旋引發的自旋光電流和電場導致電子自旋極化等；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、自旋流的產生及半導體中的自旋動力學等；第9章是自旋極化電子和磁疇的輸運，包括磁性半導體二維電子氣和量子點中的自旋輸運、磁性半導體中的磁疇輸運等；第10章是半導體量子點和量子線的自旋性質調控。
夏建白，半導體物理專家。生於上海，原籍江蘇蘇州。1965年北京大學物理系研究生畢業。中國科學院半導體研究所研究員。在低維半導體微結構電子態的量子理論及其應用方面進行了系統的研究。2001年當選為中國科學院院士。
葛惟昆，教授，博士生導師。曾任中國科學院半導體研究所副所長，中國科學院凝聚態物理中心副主任，美國達幕思（Dartmouth）大學副教授，香港科技大學高級講師、教授。現任香港科技大學榮休教授，中山大學教授，清華大學教授、實驗物理教學中心主任。
常凱，中科院半導體所超晶格與微結構國家重點實驗室研究員。1996年於北京師範大學獲博士學位；1996年至1998年中科院半導體所博士后；1998年至2000年比利時安特衛普大學Research Fellow；2006年香港中文大學楊振寧Fellowship。2001年獲得百人計劃資助任中科院半導體所研究員。2004年度國家自然科學二等獎獲得者之一（夏建白、李樹深、常凱、朱邦芬）。目前在國際核心物理學期刊上共發表論文40餘篇。
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第0章 緒論
0.1 自旋電子學的起源——巨磁阻效應器件
0.2 自旋電子學應用的新材料
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 利用稀磁半導體在磁場下的巨Zeeman分裂效應
0.3.5 利用鐵磁半導體作為自旋校準器
0.3.6 光學方法產生自旋極化電子
0.4 半導體和納米結構中自旋相干的光學調控
0.4.1 自旋壽命的延長
0.4.2 自旋通過異質結界面的相干輸運
0.4.3 自旋相干態的空間分辨
0.5 自旋電子器件
0.5.1 自旋發光二極體
0.5.2 鐵磁場效應晶體管
0.5.3 鐵磁半導體隧道結
參考文獻
第1章 半導體中稀磁離子的性質
1.1 磁離子電子的組態
1.2 自由磁離子的基態在晶格場中的分裂
1.3 晶格場理論
1.4 多電子態波函數
1.5 等價算符方法
1.6 半導體中的磁離子能級
1.7 半導體磁離子性質的實驗研究
參考文獻
第2章 稀磁半導體的性質
2.1 磁場下半導體的有效質量理論
2.2 寬禁帶稀磁半導體
2.2.1 寬禁帶半導體的磁能級
2.2.2 稀磁半導體的磁相互作用
2.2.3 纖鋅礦結構的稀磁半導體
2.2.4 實驗觀測
2.3 窄禁帶稀磁半導體
2.3.1 窄禁帶半導體的磁能級
2.3.2 Hg1-xMnxTe的磁光譜
2.4 稀磁半導體微結構
2.4.1 稀磁半導體超晶格，磁場垂直於界面
2.4.2 稀磁半導體超晶格，磁場平行於界面
2.4.3 稀磁半導體量子點
2.4.4 磁極化子效應
2.4.5 稀磁半導體量子線
2.5 稀磁半導體的輸運性質
2.6 Fe2+離子的稀磁半導體，van Vleck磁性
2.7 巨Faraday和Kerr旋轉
2.7.1 磁性半導體的磁光性質
2.7.2 磁性半導體中的時間分辨Faraday和Kerr旋轉
2.8 光致磁化
參考文獻
第3章 鐵磁半導體
3.1 鐵磁半導體Ga1-xMnxAs
3.2 其他鐵磁半導體
3.3 費米能級工程
3.4 團簇對鐵磁性的影響
3.5 鐵磁半導體量子點
3.6 鐵磁半導體的平均場理論
3.6.1 鐵磁性的微觀理論
3.6.2 稀磁半導體中的磁相互作用
3.6.3 鐵磁半導體量子線，量子板
3.6.4 鐵磁半導體量子點
3.6.5 鐵磁半導體能帶結構的
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 半導體中電子自旋的壽命和漂移
4.2 半導體自旋晶體管
4.3 Rashba效應
4.3.1 Rashba效應的產生根源
4.3.2 Rashba係數的實驗測量
4.3.3 Rashba係數的理論計算
4.4 自旋極化電子流的產生和輸運
4.4.1 自旋電子通過半導體異質界面的相干輸運
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 磁性半導體隧穿結
4.5.1 GaAs/GaMnAs異質結基本性質
4.5.2 鐵磁/非磁/鐵磁三層結構性質
4.5.3 鐵磁金屬和半導體接觸
參考文獻
第5章 自旋弛豫
5.1 自旋弛豫時間T1和T2
5.2 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係
5.4 量子阱中的自旋弛豫
參考文獻
第6章 Rashba效應與Dresselhaus效應
6.1 反演非對稱半導體體系中自旋軌道相互作用導致的自旋分裂——Rashba效應和Dresselhaus效應
6.1.1 有效質量近似
6.1.2 Dresselhaus效應概述
6.1.3 相對論量子力學推導
6.2 Rashba系統中的自旋-軌道耦合哈密頓
6.3 Rashba效應與能帶色散
6.4 Rashba參數α
6.4.1 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α
參考文獻
第7章 半導體中電子自旋的光學響應
7.1 光子的自旋
7.2 半導體中光學躍遷的自旋守恆
7.2.1 光躍遷選擇定則
7.2.2 分裂能帶下的光激發
7.3 自旋分裂系統中光注入電子自旋引發的自旋光電流
7.3.1 圓偏光電流效應(CPGE)
7.3.2 自旋光電流效應(SGE)
7.4 自旋分裂系統中電場導致電子自旋極化
7.5 Rashba效應與Dresselhaus效應的實驗區分及應用
7.6 旋光電子器件
7.6.1 Rashba和Dresselhaus綜合效應自旋場效應晶體管
7.6.2 自旋光源——發光二極體和激光器
7.6.3 以傳導電流探測自旋流
參考文獻
第8章 自旋相干電子的操控
8.1 實驗技術
8.2 半導體體材料中的電子自旋相干
8.3 半導體量子點的電子自旋相干
8.4 半導體中自旋相干電子的空問運動
8.4.1 半導體中沒有外磁場的相干自旋操控
8.4.2 電流感應的自旋極化
8.5 自旋霍爾效應
8.5.1 自旋霍爾效應的光學觀測
8.5.2 二維電子氣的自旋霍爾效應
8.6 自旋流的產生
8.6.1 由自旋霍爾效應產生自旋流
8.6.2 雙色光場產生自旋流
8.7 半導體中的自旋動力學
8.7.1 幾種自旋流的遷移率和擴散係數
8.7.2 電場對自旋極化電流的效應
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引線構成的雙壘磁隧穿結的自旋輸運
9.2.2 與鐵磁性電極耦合的半導體量子點中的近藤效應
9.2.3 磁性半導體量子點的自旋輸運理論
9.3 磁性半導體中的磁疇輸運
參考文獻
第10章 未來的量子點、量子線自旋電子學
10.1 量子點的電子g因子
10.2 量子線的g因子
10.3 電場可調的g因子
10.4 N摻雜對電子的Rashba係數和g因子的效應
參考文獻
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