《磁电子学材料与器件》课程教学大纲 课程名称：磁电子学材料与器件 课程类别：选修课 适用专业：材料化学 考核方式：考查 总学时、学分：32学时、2学分 一、课程教学目的 通过学习《磁电子学材料与器件》使学生理解电子的电荷和自旋 两个基本秉性；了解磁电子学的发展历程，掌握各种磁电阻效应的基 本原理以及相关器件应用；掌握自旋转移力矩及自旋轨道耦合的基本 概念原理及应用；了解霍尔效应的发展历史以及自旋霍尔效应的应用， 并初步理解其产生机制和基本理论。能基于磁电子学原理设计实验方 案并科学解释实验结论，培养学生独立思考解决问题的能力。 二、课程教学要求 通过本课程的学习，使学生对磁电子学的发展历程有一定的认识， 掌握自旋相关的基本概念，了解各种磁电阻效应的原理以及自旋霍尔 效应的内在机制等，为进一步学习自旋输运与器件相关课程以及从事 磁性材料科学研究打下一定基础。 三、先修课程 学生学习完《材料物理导论》、《普通物理》和《无机化学》以后 开设本课程
《磁电子学材料与器件》课程教学大纲 课程名称：磁电子学材料与器件 课程类别：选修课 适用专业：材料化学 考核方式：考查 总学时、学分：32 学时、2 学分 一、课程教学目的 通过学习《磁电子学材料与器件》使学生理解电子的电荷和自旋 两个基本秉性；了解磁电子学的发展历程，掌握各种磁电阻效应的基 本原理以及相关器件应用；掌握自旋转移力矩及自旋轨道耦合的基本 概念原理及应用；了解霍尔效应的发展历史以及自旋霍尔效应的应用， 并初步理解其产生机制和基本理论。能基于磁电子学原理设计实验方 案并科学解释实验结论，培养学生独立思考解决问题的能力。 二、课程教学要求 通过本课程的学习，使学生对磁电子学的发展历程有一定的认识， 掌握自旋相关的基本概念，了解各种磁电阻效应的原理以及自旋霍尔 效应的内在机制等，为进一步学习自旋输运与器件相关课程以及从事 磁性材料科学研究打下一定基础。 三、先修课程 学生学习完《材料物理导论》、《普通物理》和《无机化学》以后 开设本课程
四、课程教学重、难点 本课程重，点介绍各种磁电阻效应、磁性半导体、自旋转移力矩、 自旋霍尔效应以及器件单元应用。 本课程难，点是磁电阻效应的产生机制，自旋转移力矩的原理以及 自旋霍尔效应驱动磁化翻转机制。 五、课程教学方法与教学手段 教学方法：课程讲授中采用启发式教学，培养学生思考问题、分 析问题和解决问题的能力；增加讨论课，调动学生学习的主观能动性； 讲课要联系实际并注重培养学生的创新能力。 教学手段：在教学中采用板书、电子教案及多媒体教学等相结合 的教学手段，以确保全面、高质量地完成课程教学任务。 六、课程教学内容 第1章巨磁电阻效应与器件(6学时) 1.教学内容 (1)巨磁电阻效应的发现： (2)巨磁电阻效应的理论模型以及应用： (3)磁性随机存储器(MRAM)和硬盘读头工作原理。 2.重、难点提示 (1)教学重点：巨磁电阻效应的定义和理论模型：巨磁电阻应用类型： (2)教学难点：二流体模型和磁性随机存储器的工作原理。 第2章磁性隧道结及隧穿磁电阻效应(4学时) 1.教学内容
四、课程教学重、难点 本课程重点介绍各种磁电阻效应、磁性半导体、自旋转移力矩、 自旋霍尔效应以及器件单元应用。 本课程难点是磁电阻效应的产生机制，自旋转移力矩的原理以及 自旋霍尔效应驱动磁化翻转机制。 五、课程教学方法与教学手段 教学方法：课程讲授中采用启发式教学，培养学生思考问题、分 析问题和解决问题的能力；增加讨论课，调动学生学习的主观能动性； 讲课要联系实际并注重培养学生的创新能力。 教学手段：在教学中采用板书、电子教案及多媒体教学等相结合 的教学手段，以确保全面、高质量地完成课程教学任务。 六、课程教学内容 第 1 章 巨磁电阻效应与器件（6 学时） 1．教学内容 (1)巨磁电阻效应的发现； (2)巨磁电阻效应的理论模型以及应用； (3)磁性随机存储器（MRAM）和硬盘读头工作原理。 2．重、难点提示 (1)教学重点：巨磁电阻效应的定义和理论模型；巨磁电阻应用类型； (2)教学难点：二流体模型和磁性随机存储器的工作原理。 第 2 章 磁性隧道结及隧穿磁电阻效应（4 学时） 1．教学内容
(1)磁性隧道结发展历程以及隧穿磁电阻效应： (2)基于不同势垒材料的磁性隧道结以及磁性隧道结中常用电极材料： (3)双势垒磁性隧道结： (4)磁性隧道结中的物理效应。 2.重、难点提示 (1)教学重点：隧穿磁电阻定义及原理：隧道结中势垒层和电极材料的选择： (2)教学难点：库仑阻塞效应：量子共振隧穿效应。 第3章磁性颗粒膜中的磁电阻效应(4学时) 1.教学内容 (1)磁性颗粒膜中的超顺磁性及判断依据： (2)金属/金属型和金属/绝缘体型磁性颗粒膜的磁电阻效应。 2.重、难点提示 (1)教学重点：磁性颗粒膜中的超顺磁性和磁电阻效应产生机制： (2)教学难点：磁性颗粒膜中超顺磁性的判断依据。 第4章钙钛矿锰氧化物中庞磁电阻效应(6学时) 1.教学内容 (1)钙铁矿结构锰氧化物的庞磁电阻效应及产生机制： (2)庞磁电阻锰氧化物的制备、物理性质及器件应用。 2.重、难点提示 (1)教学重点：钙铁矿结构锰氧化物庞磁电阻产生机制及材料制备技术： (2)教学难点：钙铁矿结构锰氧化物庞磁电阻产生机制。 第5章氧化物磁性半导体及应用（4学时) 1.教学内容 (1)氧化物磁性半导体概念和高居里温度特性： (2)氧化物磁性半导体的制备方法和表征方法： (3)氧化物磁性半导体中磁电阻效应及应用。 2.重、难点提示 (1)教学重点：氧化物磁性半导体高居里温度和制备技术： (2)教学难点：氧化物磁性半导体中磁电阻效应产生机制
(1)磁性隧道结发展历程以及隧穿磁电阻效应； (2)基于不同势垒材料的磁性隧道结以及磁性隧道结中常用电极材料； (3)双势垒磁性隧道结； (4)磁性隧道结中的物理效应。 2．重、难点提示 (1)教学重点：隧穿磁电阻定义及原理；隧道结中势垒层和电极材料的选择； (2)教学难点：库仑阻塞效应；量子共振隧穿效应。 第 3 章 磁性颗粒膜中的磁电阻效应（4 学时） 1．教学内容 (1)磁性颗粒膜中的超顺磁性及判断依据； (2)金属/金属型和金属/绝缘体型磁性颗粒膜的磁电阻效应。 2．重、难点提示 (1)教学重点：磁性颗粒膜中的超顺磁性和磁电阻效应产生机制； (2)教学难点：磁性颗粒膜中超顺磁性的判断依据。 第 4 章 钙钛矿锰氧化物中庞磁电阻效应（6 学时） 1．教学内容 (1)钙铁矿结构锰氧化物的庞磁电阻效应及产生机制； (2)庞磁电阻锰氧化物的制备、物理性质及器件应用。 2．重、难点提示 (1)教学重点：钙铁矿结构锰氧化物庞磁电阻产生机制及材料制备技术； (2)教学难点：钙铁矿结构锰氧化物庞磁电阻产生机制。 第 5 章 氧化物磁性半导体及应用（4 学时） 1．教学内容 (1)氧化物磁性半导体概念和高居里温度特性； (2)氧化物磁性半导体的制备方法和表征方法； (3)氧化物磁性半导体中磁电阻效应及应用。 2．重、难点提示 (1)教学重点：氧化物磁性半导体高居里温度和制备技术； (2)教学难点：氧化物磁性半导体中磁电阻效应产生机制
第6章自旋轨道耦合效应和自旋转移力矩(4学时) 1.教学内容 (1)自旋轨道耦合和自旋转移力矩的理论基础： (2)自旋转移力矩驱动的多层膜磁化动力学 (3)纳米器件单元中的自旋积累和自旋极化流。 2.重、难点提示 (1)教学重点：自旋轨道耦合和自旋转移力矩的概念和公式推导： (2)教学难点：磁化动力学方程的物理意义和求解。 第7章自旋霍尔效应和磁化翻转（4学时) 1.教学内容 ()霍尔效应和自旋霍尔效应，自旋霍尔角的定义： (2)磁性多层膜中纯自旋流的磁化翻转及影响因素： (3)自旋转移力矩和自旋轨道转矩的区别及应用。 2.重、难点提示 (1)教学重点：自旋霍尔效应和自旋流磁化翻转过程： (2)教学难点：自旋流磁化翻转机制和临界电流密度影响因素。 七、学时分配 教学环节 章目 教学内容 理论教学学时 一 巨磁电阻效应与器件 6 二 磁性隧道结及隧穿磁电阻效应 4 三 磁性颗粒膜中的磁电阻效应 4 四 钙钛矿锰氧化物中庞磁电阻效应 6 五 氧化物磁性半导体及应用 4 六 自旋轨道耦合效应和自旋转移力矩 七 自旋霍尔效应和自旋流磁化翻转 4 总计 32
第 6 章 自旋轨道耦合效应和自旋转移力矩（4 学时） 1．教学内容 (1)自旋轨道耦合和自旋转移力矩的理论基础； (2)自旋转移力矩驱动的多层膜磁化动力学 (3)纳米器件单元中的自旋积累和自旋极化流。 2．重、难点提示 (1)教学重点：自旋轨道耦合和自旋转移力矩的概念和公式推导； (2)教学难点：磁化动力学方程的物理意义和求解。 第 7 章 自旋霍尔效应和磁化翻转（4 学时） 1．教学内容 (1)霍尔效应和自旋霍尔效应，自旋霍尔角的定义； (2)磁性多层膜中纯自旋流的磁化翻转及影响因素； (3)自旋转移力矩和自旋轨道转矩的区别及应用。 2．重、难点提示 (1)教学重点：自旋霍尔效应和自旋流磁化翻转过程； (2)教学难点：自旋流磁化翻转机制和临界电流密度影响因素。 七、学时分配 章目 教学内容 教学环节 理论教学学时 一 巨磁电阻效应与器件 6 二 磁性隧道结及隧穿磁电阻效应 4 三 磁性颗粒膜中的磁电阻效应 4 四 钙钛矿锰氧化物中庞磁电阻效应 6 五 氧化物磁性半导体及应用 4 六 自旋轨道耦合效应和自旋转移力矩 4 七 自旋霍尔效应和自旋流磁化翻转 4 总计 32
八、课程考核方式 1.考核方式： 笔试：开卷。 2.成绩构成 试卷成绩。 九、选用教材和参考书目 [1]《自旋电子学导论》，韩秀峰等编著，科学出版社，2014年： [2]《自旅电子学》，翟宏如等著，科学出版社：2012年： [3]《磁电子学》，焦正宽等著，浙江大学出版社，2005年。 [4]《现代电子材料与元器件》王巍著，冯世娟著，罗元编，科学出版社， 2012年
八、课程考核方式 1.考核方式： 笔试；开卷。 2.成绩构成 试卷成绩。 九、选用教材和参考书目 ［1］《自旋电子学导论》，韩秀峰等编著，科学出版社，2014 年； ［2］《自旋电子学》，翟宏如等著，科学出版社；2012 年； ［3］《磁电子学》，焦正宽等著，浙江大学出版社，2005 年。 ［4］《现代电子材料与元器件》王巍 著,冯世娟 著,罗元编，科学出版社， 2012 年
