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出版者:CRC Press

作者:Zeev Valy Vardeny

出品人:

页数:352

译者:

出版时间:2010-4-9

价格:USD 129.95

装帧:Hardcover

isbn号码:9781439806562

丛书系列:

图书标签:

• 自旋电子学
• 有机
• spintronics
• Spintronics
• Organic Electronics
• Materials Science
• Nanotechnology
• Physics
• Chemistry
• Molecular Electronics
• Magnetism
• Semiconductors
• Device Physics

导言：探索宏观与微观的交汇点 在二十一世纪，材料科学和凝聚态物理领域正经历着一场深刻的变革。我们不再仅仅满足于对电子电荷这一基本属性的操控，而是开始深入挖掘电子所固有的、与其运动状态紧密相关的另一种内在属性——自旋。这种对电子自旋的利用，正在催生一个全新的物理学和工程学分支。 本书旨在为那些对量子信息、新型电子器件以及先进功能材料感兴趣的研究人员、工程师和高年级学生提供一个全面而深入的视角，探讨基于传统半导体材料的自旋输运现象、自旋极化机制及其在器件中的应用。我们着重于那些不涉及有机分子体系的、基于无机半导体、金属和拓扑材料的自旋电子学（Spintronics）的原理与实践。 第一部分：自旋电子学的基石——基础物理与理论框架 自旋电子学是一门跨学科的领域，它要求理解量子力学在凝聚态系统中的具体表现。本书的第一部分将打下坚实的理论基础。 第一章：电子自旋的量子力学基础 本章首先回顾了泡利不相容原理和角动量理论在描述电子行为中的核心地位。我们将详细阐述自旋的量子特性，包括自旋向上和自旋向下态的数学表述（使用狄拉克符号），以及如何通过泡利矩阵来描述自旋的演化和测量。重点讨论了电子的轨道角动量与自旋角动量之间的耦合（即自旋-轨道耦合，SOC），这是理解许多新兴自旋现象（如Rashba效应）的关键。我们还会审视宏观磁性材料中电子的自旋结构，引入平均场理论和交换相互作用的概念，解释铁磁性和反铁磁性的起源。 第二章：自旋的注入与探测——关键的实验技术 在实验层面，如何将自旋极化（即自旋向上和自旋向下电子数目的差异）有效地注入到非磁性材料中，并精确测量由此产生的自旋积累和自旋流，是自旋电子学器件实现的基础。本章将深入探讨几种主要的自旋注入与探测方法： 基于隧道结的自旋注入：详细分析了隧道磁阻（TMR）效应的物理机制，包括费米能级处的态密度和隧穿概率的依赖关系。我们将解析Mott的半导体模型和更精确的Brataas-Smith-Vignale理论，用于描述电导率中的自旋依赖性。 自旋霍尔效应（SHE）与逆自旋霍尔效应（ISHE）：重点分析重金属（如铂、钽）中强大的自旋-轨道耦合如何导致自旋累积在材料界面上，形成纯自旋流，并进而产生可测量的横向电压（SHE）。我们将计算自旋霍尔角的定义及其意义，并探讨如何利用ISHE将自旋流转化为电信号。 非局部自旋阀（Nonlocal Spin Valve）：介绍如何通过测量跨越非磁性材料的电位差，来间接探测自旋扩散长度和自旋弛豫时间，这是评估材料作为自旋传输媒介性能的关键参数。 第三章：自旋的输运与弛豫机制 电子自旋在固体中传输并非理想过程，它会受到各种散射机制的限制。本章专注于输运动力学。 自旋扩散方程：建立描述自旋积累随时间和空间演化的数学模型。我们将推导自旋扩散长度的公式，并分析它如何依赖于散射时间、电子有效质量和材料的电导率。 主要的弛豫机制：详细讨论D’yakonov-Perel机制、Elliott-Yafet机制和德鲁德模型中的自旋翻转散射。这些机制决定了电子自旋寿命的长短，直接制约了器件的工作频率和尺寸。对于半导体体系，我们将考察杂质散射、声子散射以及缺陷引起的去极化效应。 玻尔兹曼方程的自旋扩展：引入量子化的自旋输运理论，特别是对于高迁移率材料，我们需要超越经典的扩散理论，考虑电子的动量空间分布对自旋流的影响。 第二部分：无机半导体中的自旋操控 本部分聚焦于传统的硅基和III-V族半导体，探讨如何将自旋概念融入到成熟的微电子平台中。 第四章：硅基自旋电子学——兼容现有技术 硅（Si）作为现代电子工业的基石，是实现大规模自旋电子器件的理想平台。然而，硅本身的自旋-轨道耦合非常微弱，这既是挑战也是机遇。 硅中的自旋寿命：分析纯硅和掺杂硅中极长的自旋扩散长度（可达微米量级）的物理原因——即较弱的SOC。我们将重点讨论核自旋的耦合效应，以及在低温下核自旋如何影响电子自旋的弛豫，即超精细相互作用。 异质结中的自旋注入：讨论如何利用铁磁性金属（如Fe、CoFeB）与硅的界面来有效注入自旋。重点分析界面态密度、界面电阻对自旋注入效率的负面影响，以及通过界面工程（如掺杂或钝化层）来优化传输的策略。 基于硅的自旋场效应晶体管（Spin-FET）：详细分析Datta和Das提出的概念模型。阐述如何通过门电压调控Rashba效应（即便是在硅中引入微小的不对称势场），从而实现对自旋的电学开关，这是实现低功耗自旋逻辑操作的关键。 第五章：III-V族半导体与量子点中的自旋动力学 在GaAs和InP等材料中，强烈的SOC使得自旋操控更加直接有效。 Rashba和Dresselhaus效应：深入解析在量子阱和低维结构中，由于结构或电场引起的对称性破缺如何产生线性或平方依赖于动量的自旋劈裂，从而导致自旋的经典回旋运动。 光激发自旋极化：讨论圆偏振光激发半导体时，如何产生高度自旋极化的电子群体。我们将应用Kubo公式和密度矩阵形式来描述这种激发过程，并探讨如何通过后续的电荷分离和传输来提取自旋信息。 半导体量子点中的自旋：考察在纳米尺度下，电子被量子限制，导致其能级结构和自旋性质发生显著变化。讨论单电子晶体管（SET）中的电荷-自旋耦合，以及利用量子点作为量子比特（Qubit）的潜力。 第三部分：前沿磁性与拓扑材料中的自旋现象 本部分转向更具前瞻性的领域，探讨新兴的磁性结构和具有特殊电子结构的材料。 第六章：磁性随机存取存储器（MRAM）的物理原理 MRAM因其非易失性、高速度和高耐用性，被认为是下一代存储技术的有力竞争者。 巨磁阻（GMR）与隧道磁阻（TMR）器件：除了前文提到的TMR，本章将深入分析GMR——特别是基于多层结构的GMR效应，它在磁传感器中的广泛应用。 自旋转移矩（STT）：详细阐述如何利用自旋极化电流直接对磁性层中的磁矩施加扭矩，从而实现磁化方向的快速翻转。数学上，我们将分析Slonczewski方程，推导STT翻转的临界电流密度，并讨论其对功耗和可靠性的影响。 自旋轨道力矩（SOT）：作为STT的替代方案，SOT利用SHE在重金属中产生的纯自旋流来产生扭矩。比较SOT与STT在能效、翻转速度和对粘滞层保护方面的优势和挑战。 第七章：拓扑绝缘体与二维材料中的自旋 拓扑材料因其表面（或边缘）存在受拓扑保护的、自旋与动量锁定的电子态而备受关注。 拓扑绝缘体（TIs）的表面态：阐述TIs中强大的SOC如何导致能带反演，形成受保护的狄拉克锥表面态。重点分析这些表面态的螺旋形自旋结构（即自旋-动量锁定），这使得在表面上传播的电子几乎不受背散射的限制。 二维材料中的自旋操控：考察石墨烯（Graphene）作为一种无SOC的理想自旋传输介质的特性。分析如何在石墨烯中引入人工势场（如通过外加电场或异质结构），以诱导出可控的Rashba效应，从而实现高效率的电学自旋控制。 磁性拓扑材料：讨论在拓扑绝缘体中引入磁性掺杂（如磁性原子）如何导致磁性耦合，从而打开能隙，产生诸如量子反常霍尔效应（QAHE）等更丰富的拓扑现象，为无耗散的自旋电流输运提供了理论基础。 结论与展望 本书在系统梳理了从基本量子力学到先进拓扑材料的自旋电子学原理后，强调了无机半导体系统在构建下一代高速、低功耗、高密度电子器件中的核心地位。未来的发展方向将集中在界面工程的精确控制、新型拓扑磁性材料的发现，以及如何将自旋输运机制与经典CMOS技术更有效地集成，以实现真正的“自旋驱动的计算时代”。本书的读者应能掌握分析和设计基于无机材料的自旋电子器件所需的理论工具和实验洞察力。

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这本书的书名“Organic Spintronics”本身就具有一种独特的吸引力，它预示着一个将柔性、可调控的有机材料与下一代电子技术——自旋电子学——相结合的前沿领域。我一直对那些能够打破现有技术格局、开辟全新应用方向的科学分支深感兴趣，而自旋电子学正是这样一种极具潜力的技术。将“有机”这一概念引入自旋电子学，更是给我带来了无限的遐想。我猜测，这本书将会深入探讨有机半导体材料的独特性质，以及如何利用这些性质来实现对电子自旋的高效操控。例如，书中是否会介绍如何通过分子设计来调控有机材料的自旋极化、自旋弛豫时间和自旋相干长度？又或者，它将如何阐述有机材料在构建自旋阀、自旋场效应晶体管等关键自旋器件中的作用？我非常期待书中能够提供关于有机自旋电子学基本原理的全面概述，并深入分析其在信息存储、逻辑处理以及量子计算等领域的潜在应用。这本书无疑将为我提供一个深入探索这个充满机遇和挑战的新兴领域的宝贵窗口。

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《Organic Spintronics》这个书名，如同一扇通往未知领域的神秘之门，瞬间就吸引住了我的目光。它不仅仅是一个简单的标题，更像是一种科学上的宣言，预示着一个将“有机”的无限可能与“自旋电子学”的颠覆性潜力相结合的全新时代。我一直对那些能够挑战现有技术范式的学科充满好奇，而自旋电子学无疑是其中一个极具发展前景的领域，它承诺着更快的速度、更低的能耗和更高的集成度。将“有机”这一充满灵活性的概念融入其中，更是为这一技术注入了全新的生命力。我迫不及待地想知道，书中会如何阐述有机材料独特的电子和磁性特性，以及如何利用这些特性来实现对电子自旋的精确操控。我猜测，书中将会深入探讨自旋注入、自旋输运、自旋弛豫以及自旋探测等关键物理过程在有机体系中的表现，并详细介绍如何通过巧妙的分子设计和器件构筑来优化自旋器件的性能。这本书无疑将为我打开一扇深入了解这个新兴交叉学科的大门，让我得以一窥下一代电子技术的璀璨未来。

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作为一名对尖端科技一直保持高度关注的读者，我购买这本书的初衷，完全是被它所蕴含的“有机”与“自旋电子学”这两个关键词的结合所吸引。在传统电子学领域，硅基半导体占据了主导地位，但随着技术的发展，我们对更灵活、更低功耗、甚至生物兼容的电子器件的需求日益增长。而“有机”材料，以其独特的化学结构和可调控的性质，为实现这些目标提供了无限可能。同时，“自旋电子学”则代表了下一代电子学的方向，它试图利用电子的固有角动量（自旋）来存储和处理信息，这相比于传统电子学仅仅利用电子的电荷，具有更大的潜力，例如实现更高的存储密度和更快的读写速度，同时大大降低能耗。将这两个概念巧妙地结合在一起，我预感这本书将会是一部集理论深度与应用前景于一体的杰作。我非常期待书中能够详细阐述有机材料在自旋电子学中的优势，例如它们在室温下实现自旋注入、传输和探测的可能性，以及如何通过分子设计来优化这些性能。我猜想，书中可能会涉及有机铁磁体、有机半导体中的自旋弛豫机制、以及利用有机材料构建的自旋阀、自旋晶体管等器件的原理和设计。这本书无疑将为我打开一扇全新的科学视野，让我深入了解这个充满活力的新兴交叉学科。

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翻阅这本书的第一感觉，是它所传递出的那种严谨而又充满活力的学术氛围。从封面设计到书名，都让我感受到一股前沿科学的脉搏。我一直对那些能够将抽象的物理概念与实际材料特性巧妙结合的学科充满兴趣，而“有机自旋电子学”正是这样一个引人入胜的领域。我猜测，书中会详细介绍有机材料在自旋电子学中的独特优势，例如其易于加工、可调控的能级结构以及潜在的低功耗特性。同时，我也期待书中能够深入探讨如何利用电子的自旋这一量子特性来开发新型的电子器件，从而突破传统电子学在速度、能耗和集成度上的限制。书中可能还会涉及有机自旋器件的设计原理、制备工艺以及性能表征等方面的内容。我特别好奇，有机自旋电子学将如何与柔性电子、生物电子等领域相结合，为我们带来更加智能化、个性化的未来科技产品。这本书无疑将为我提供一个系统学习和深入了解有机自旋电子学这个新兴交叉学科的绝佳机会。

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从书的厚度和装帧风格来看，这本书似乎是一部内容详实、制作精良的学术专著。我一直对那些能够将复杂科学概念以清晰易懂的方式呈现出来的书籍抱有极大的好感，而这本书的封面设计和字体选择，都透露出一种严谨而不失优雅的学术气质。我个人尤其对材料科学与量子物理的交叉领域充满兴趣，而“有机自旋电子学”正好是这样一个融合了有机化学、凝聚态物理和电子工程等多个学科的迷人领域。我非常好奇书中将如何解释有机材料在自旋电子学中的独特作用，例如，它们是否比传统的无机材料在自旋操控方面具有更低的能量损耗？或者，它们的柔韧性和可加工性是否能为开发可穿戴设备、柔性显示器等新型电子产品提供技术基础？我猜测书中会涉及有机半导体材料的电子结构、分子取向对自旋输运的影响、以及如何通过化学修饰来增强自旋相干性等关键问题。此外，我希望书中还能包含一些最新的实验进展和理论模型，帮助我了解该领域当前的研究前沿和未来的发展方向。这本书的出现，无疑将为我提供一个深入学习和了解有机自旋电子学的宝贵机会。

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这本书的封面设计简洁而不失大气，给人一种专业而又富有吸引力的感觉。“Organic Spintronics”这个书名，巧妙地将“有机”材料的柔韧性和可塑性与“自旋电子学”这一高度前沿的物理概念结合在一起，立刻勾起了我对该领域的好奇心。我一直在关注能够突破传统硅基电子学限制的新兴技术，而自旋电子学无疑是其中最令人兴奋的方向之一。将有机材料引入自旋电子学，更是为这一领域注入了新的活力和无限可能。我猜想，书中将会深入探讨有机材料在自旋注入、输运和探测等过程中的关键作用，以及如何通过分子设计来优化这些过程的效率和相干性。我非常期待书中能够详细介绍各种有机自旋器件的原理、设计和性能，并展望其在柔性显示、低功耗存储以及未来量子计算等领域的广阔应用前景。这本书无疑将为我提供一个系统学习和深入理解有机自旋电子学这个交叉学科的宝贵机会。

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当我第一次看到《Organic Spintronics》这本书的封面时，就被它所传达出的信息所吸引。那是一种融合了未来科技感与材料科学深度探索的独特气质。我一直对能够挑战传统技术边界的前沿科学领域充满好奇，而“自旋电子学”无疑是下一代电子学的关键发展方向之一。当“有机”材料被引入这个领域时，我预感将会带来前所未有的创新机遇。我猜想，这本书将会详细介绍有机材料在自旋电子学中的独特优势，例如其易于加工、低成本以及可调控的光电磁性质。同时，它也可能深入探讨如何利用电子的自旋这一量子特性，来实现更高密度、更低功耗的信息存储和处理。我非常期待书中能够提供关于有机自旋器件的设计、制备和性能表征的详细阐述，并展望其在柔性电子、生物电子以及量子信息技术等领域的广阔应用前景。这本书无疑将为我打开一扇了解这个新兴交叉学科的窗口，让我对未来的电子技术发展有更深刻的认识。

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这本书的封面设计简直是一场视觉盛宴！那深邃的蓝色调，如同夜空中的星辰，又恰似高纯度有机材料在暗室中发出的微光，勾勒出一种神秘而又引人入胜的科学美感。封面上“Organic Spintronics”几个字，字体选择得恰到好处，既有科技的严谨感，又透着一丝前沿的时尚气息。我第一次看到它的时候，就被深深地吸引住了，仿佛它不仅仅是一本关于物理学和材料科学的书，更像是一扇通往未来电子器件新世界的窗户。我迫不及待地想知道，这些“有机”的元素是如何与“自旋电子学”这一高度抽象的物理概念相结合的，它们之间会碰撞出怎样的火花？书中的内容一定充满了令人惊喜的发现和颠覆性的技术理念。我猜测，书中会深入探讨有机半导体材料的奇特性质，以及如何利用电子的自旋——这个我们肉眼无法直接看到的量子属性——来开发新型的电子设备，比如更高效的存储器、更节能的显示器，甚至是我们现在还无法想象的计算方式。这本书的体量看起来也不小，这让我对内容的深度和广度充满了期待。我希望它不仅仅停留在理论层面，更能提供一些实际的应用前景和未来发展趋势的分析。封面所传达出的信息，预示着这本书将是一次深入探索前沿科学的旅程，我已准备好踏上这段旅程，去揭开有机自旋电子学的神秘面纱。

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这本书的标题“Organic Spintronics”就像一个精心设计的谜语，既点出了研究的主体——有机材料，又揭示了其核心技术——自旋电子学。我一直对能够跨越不同学科边界，带来颠覆性创新的领域充满热情，而这本书无疑指向了这样一个充满前景的方向。我非常好奇，有机材料是如何能够被用来操控电子的自旋，并最终实现信息的存储和处理的。我猜想，书中会深入剖析有机半导体材料的电子结构和自旋动力学特性，例如如何实现高效的自旋注入、长距离的自旋输运以及精确的自旋探测。同时，我也希望书中能够探讨有机自旋电子器件的具体设计和制备方法，以及它们在信息存储、逻辑计算和量子信息技术等方面的潜在应用。这本书的出现，为我提供了一个深入了解这一新兴交叉学科的绝佳机会，让我能够窥见未来电子技术发展的新图景。

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当我在书店的架子上看到《Organic Spintronics》这本书时，我立刻被它的名字所吸引。这个名字本身就充满了科技感和未来感，将“有机”材料的灵活性和“自旋电子学”的颠覆性潜力巧妙地结合在一起。我一直对能够突破传统技术瓶颈的新兴领域感到好奇，而自旋电子学无疑是其中一个极具潜力的方向。然而，将自旋电子学与有机材料相结合，更是将这种可能性推向了一个全新的高度。我猜想，这本书将会深入探讨如何利用有机材料独特的电子和磁性特性，来实现对电子自旋的有效操控。例如，有机材料是否能够在室温下表现出优异的自旋极化和自旋输运能力？又或者，有机材料的可设计性是否能够帮助我们制造出结构更复杂、功能更强大的自旋器件？我非常期待书中能够提供关于有机自旋电子学基本原理的清晰阐述，包括自旋注入、自旋输运、自旋探测等关键过程，并详细介绍各种有机材料（如共轭聚合物、小分子半导体等）在该领域中的应用潜力。这本书无疑将为我打开一扇通往未来电子技术新世界的大门，让我窥见下一代信息技术的曙光。

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