自旋電子科學與技術 精裝版
趙巍勝 張博宇 彭守仲
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商品描述
自旋電子學是凝聚態物理學、物理電子學、微電子學、固體電子學等多學科交叉形成的一門新興學科，目前已經成為信息科學與技術領域的重要組成部分。利用對電子自旋屬性的控制以及電子自旋的諸多效應可以設計電子器件。例如，基於巨磁阻效應的自旋電子器件在硬盤上作為磁頭的廣泛使用，使硬盤容量在過去20年增長過10萬倍，巨磁阻效應的發現者—法國科 學家阿爾貝·費爾（Albert Fert）和德國科 學家彼得·格林貝格（Peter Grünberg）也因此於2007 年被授予諾貝爾物理學獎。
本書基於自旋電子學領域近15年快速發展所取得的重要研究成果編寫而成，力求具有前瞻性、系統性和實用性，內容涵蓋從物理機理到電子器件、從特種設備到加工工藝、從芯片設計到應用場景的相關知識。全書共14章，主要包括自旋電子的起源與發展歷程、巨磁阻效應及器件、隧穿磁阻效應及器件、自旋轉移矩效應及器件、自旋軌道矩效應及器件、自旋納米振盪器、斯格明子、自旋芯片電路設計及模擬、自旋芯片特種設備及工藝、自旋芯片測試與表徵技術、磁傳感芯片及應用、大容量磁記錄技術、磁隨機存儲芯片及應用，以及自旋計算器件與芯片等內容。
本書可作為高等學校自旋電子學相關專業研究生和高年級本科生的教材，也可作為自旋電子學相關領域科研工作者和工程技術人員的重要參考資料。
作者簡介
赵巍胜
中国科学技术协会第十届全 国委员会常务委员会委员、第八届教 育部科学技术委员会委员、北京航空航天大学副校长、自旋芯片与技术全 国重点实验室常务副主任、“空天信自旋电子技术”工信 部重点实验室主任、《集成电路与嵌入式系统》期刊主编。 2019 年入选IEEE Fellow，2020 年入选教 育部“长江学 者奖励计划”，2021 年获科学探索奖和中国电子学会科学技术奖（自然科学）一等奖，2022年获华为奥林帕斯先锋奖，2023 年获中国仪器仪表学会科学技术奖技术发明一等奖，2020—2022 年连续入选爱思唯尔“中国高被引学 者”，曾担任IEEENANOARCH 2016 及ACM GLSVLSI 2020 国际会议大会主席。
2007 年获法国巴黎南大学（现巴黎萨克雷大学）物理学博士学位，2009 年任法国国家科学院研究员（终身职位），2013 年入职北京航空航天大学。长期从事自旋电子学、新型信息器件、新型非易失存储器等领域的交叉研究，取得了一系列原创性研究成果。2018—2023 年间，共发表ESI 高被引论文15 篇，总被引20 000余次，H 因子76；获150 余项发明专利授权，产权转让或授权使用50 余项。
目錄大綱
第 1 章 自旋電子的起源與發展歷程 1
1.1 自旋電子的起源 1
1.1.1 電子的發現 1
1.1.2 電子自旋的發現 4
1.1.3 磁性與自旋 7
1.2 自旋電子的發展歷程 10
1.2.1 自旋電子的早期應用 11
1.2.2 自旋電子的大規模應用 14
1.2.3 自旋芯片的新近發展 15
1.3 本章小結 19
思考題 19
參考文獻 20
第 2 章 巨磁阻效應及器件 25
2.1 巨磁阻效應原理 26
2.1.1 巨磁阻效應的發現 26
2.1.2 巨磁阻效應的理論模型 29
2.2 巨磁阻效應器件 31
2.2.1 電流在平面內型器件 32
2.2.2 電流垂直於平面型器件 35
2.3 本章小結 39
思考題 39
參考文獻 39
第3 章 隧穿磁阻效應及器件 43
3.1 隧穿磁阻效應 43
3.1.1 隧穿磁阻效應的發現 43
3.1.2 隧穿磁阻效應的理論模型 45
3.2 面內磁隧道結器件 46
3.2.1 磁各向異性的機理 47
3.2.2 基於Al-O 勢壘的磁隧道結 48
3.2.3 基於MgO 勢壘的磁隧道結 49
3.2.4 面內磁隧道結的基本結構及性能優化 54
3.3 垂直磁隧道結器件 57
3.3.1 垂直磁各向異性的發展 57
3.3.2 垂直磁隧道結的基本結構及性能優化 60
3.4 本章小結 65
思考題 66
參考文獻 66
第4 章 自旋轉移矩效應及器件 73
4.1 自旋轉移矩效應 73
4.1.1 磁動力學原理及其發展歷程 73
4.1.2 自旋轉移矩效應的原理 76
4.1.3 自旋轉移矩效應的實驗驗證 78
4.2 自旋轉移矩器件 79
4.2.1 基於面內磁各向異性的磁隧道結 79
4.2.2 基於垂直磁各向異性的磁隧道結 83
4.2.3 新型自旋轉移矩器件結構優化 87
4.3 本章小結 92
思考題 92
參考文獻 93
第5 章 自旋軌道矩效應及器件 99
5.1 自旋軌道矩效應 99
5.1.1 自旋軌道耦合 100
5.1.2 自旋霍爾效應 101
5.1.3 Rashba-Edelstein 效應 102
5.1.4 自旋軌道矩翻轉的微觀機理 103
5.1.5 自旋軌道矩與自旋轉移矩的協同效應 105
5.2 自旋軌道矩器件的關鍵材料 106
5.2.1 非磁性重金屬 106
5.2.2 反鐵磁金屬 108
5.2.3 拓撲絕緣體 109
5.3 自旋軌道矩器件 110
5.3.1 面內磁各向異性自旋軌道矩器件 110
5.3.2 面內雜散場輔助的自旋軌道矩器件 111
5.3.3 交換偏置場輔助的自旋軌道矩器件 112
5.3.4 自旋軌道矩與自旋轉移矩協同器件 114
5.3.5 自旋軌道矩與電壓調控磁各向異性協同器件 116
5.4 本章小結 119
思考題 119
參考文獻 120
第6 章 自旋納米振盪器 129
6.1 自旋納米振盪器概述 129
6.1.1 自旋納米振盪器的工作原理 130
6.1.2 自旋納米振盪器的基本結構 131
6.1.3 自旋納米振盪器的振盪模式 135
6.2 自旋納米振盪器的關鍵性能 139
6.2.1 自旋納米振盪器的基礎性能 139
6.2.2 自旋納米振盪器的同步特性 142
6.3 基於自旋納米振盪器的潛在應用 144
6.3.1 基於自旋納米振盪器的類腦計算 144
6.3.2 基於自旋納米振盪器的其他潛在應用 145
6.4 自旋納米振盪器存在的問題與解決方案 147
6.4.1 自旋納米振盪器的性能瓶頸 147
6.4.2 自旋納米振盪器集成電路設計的復雜性 148
6.5 本章小結 149
思考題 150
參考文獻 150
第7 章 斯格明子 155
7.1 斯格明子概述 155
7.1.1 斯格明子的定義與拓撲穩定性 155
7.1.2 斯格明子的發現過程 160
7.1.3 斯格明子的研究意義 160
7.2 斯格明子的研究方法 162
7.2.1 斯格明子的微磁學模擬計算 162
7.2.2 斯格明子表徵的相關實驗技術 163
7.3 斯格明子的材料體系 166
7.3.1 手性磁體 166
7.3.2 磁性薄膜 166
7.3.3 二維範德瓦爾斯材料 168
7.4 斯格明子電子學的物理基礎 168
7.4.1 斯格明子的產生 168
7.4.2 斯格明子的輸運 171
7.4.3 斯格明子的檢測 173
7.5 斯格明子電子器件概念及應用 175
7.5.1 基於斯格明子的傳統器件 175
7.5.2 基於斯格明子的新型計算器件 178
7.6 斯格明子電子學未來的發展與挑戰 183
7.7 本章小結 184
思考題 185
參考文獻 185
第8 章 自旋芯片電路設計及模擬 191
8.1 自旋電子器件建模與驗證 192
8.1.1 物理模型 193
8.1.2 模型構架 198
8.1.3 模型模擬驗證 201
8.2 自旋電子器件工藝設計包 205
8.2.1 器件單元庫 206
8.2.2 工藝文件 206
8.2.3 版圖驗證文件 207
8.2.4 標準單元庫 209
8.3 1 KB 磁存儲器電路的設計與模擬驗證 210
8.3.1 系統架構 210
8.3.2 核心模塊電路 212
8.3.3 功能模擬驗證 218
8.4 本章小結 219
思考題 220
參考文獻 220
第9 章 自旋芯片特種設備及工藝 224
9.1 器件制備工藝概述 224
9.1.1 巨磁阻器件的制備工藝 225
9.1.2 磁隧道結器件的制備工藝 226
9.2 膜堆制備設備及工藝 228
9.2.1 超高真空磁控濺射設備及工藝 229
9.2.2 磁場退火設備及工藝 239
9.3 圖形轉移設備及工藝 241
9.3.1 光刻設備及工藝 241
9.3.2 刻蝕設備及工藝 246
9.4 器件片上集成工藝 251
9.4.1 磁隧道結前處理工藝 253
9.4.2 磁隧道結後處理工藝 255
9.5 本章小結 256
思考題 257
參考文獻 257
第 10 章 自旋芯片測試與表徵技術 263
10.1 薄膜基本磁性表徵技術 263
10.1.1 磁強計 263
10.1.2 磁光克爾測量儀 266
10.1.3 鐵磁共振表徵技術 267
10.1.4 時間分辨磁光克爾測量儀 274
10.1.5 磁光克爾顯微成像及磁疇動力學表徵 276
10.1.6 布里淵光散射裝置 283
10.1.7 X 射線磁圓二色 286
10.2 自旋電子器件表徵技術 289
10.2.1 自旋輸運測試 289
10.2.2 磁動態超快電學特性表徵技術 296
10.2.3 自旋電子器件中的磁疇動力學表徵 298
10.3 自旋芯片表徵 299
10.3.1 晶圓級多維度磁場探針台 300
10.3.2 電流面內隧穿測試儀 301
10.4 本章小結 303
思考題 303
參考文獻 303
第 11 章 磁傳感芯片及應用 311
11.1 磁傳感芯片概述 311
11.1.1 傳感單元 312
11.1.2 惠斯通電橋結構 316
11.1.3 傳感器電路 320
11.2 磁傳感芯片中的噪聲 320
11.2.1 噪聲來源 322
11.2.2 降噪方法 324
11.3 磁傳感芯片應用 326
11.3.1 電子羅盤 326
11.3.2 轉速檢測 329
11.3.3 電流檢測 331
11.3.4 生物醫學檢測 332
11.4 本章小結 334
思考題 335
參考文獻 335
第 12 章 大容量磁記錄技術 341
12.1 硬盤存儲技術的發展 341
12.1.1 水平磁記錄與垂直磁記錄 341
12.1.2 硬盤磁頭 342
12.1.3 大容量存儲面臨的挑戰 345
12.2 微波輔助磁記錄 346
12.2.1 微波輔助磁翻轉效應 346
12.2.2 微波輔助磁記錄系統的結構 349
12.2.3 微波輔助磁記錄系統的設計及優化 350
12.3 熱輔助磁記錄 353
12.3.1 熱輔助磁記錄基本原理 353
12.3.2 熱輔助磁記錄系統的結構 356
12.3.3 熱輔助磁記錄系統的設計及優化 358
12.4 本章小結 362
思考題 363
參考文獻 363
第 13 章 磁隨機存儲芯片及應用 366
13.1 磁隨機存儲器的發展及現狀 366
13.2 Toggle-MRAM 369
13.2.1 磁場寫入方法及原理 369
13.2.2 Toggle-MRAM 的主要應用場景 370
13.2.3 Toggle-MRAM 的發展現狀與未來展望 371
13.3 STT-MRAM 371
13.3.1 STT-MRAM 的發展歷程 371
13.3.2 STT-MRAM 的主要應用場景 374
13.3.3 STT-MRAM 的發展現狀與未來展望 377
13.4 SOT-MRAM 377
13.4.1 SOT-MRAM 的寫入機理 379
13.4.2 SOT-MRAM 的設計難點 381
13.4.3 SOT-MRAM 的工藝挑戰 384
13.4.4 SOT-MRAM 的現狀與展望 385
13.5 本章小結 387
思考題 387
參考文獻 388
第 14 章 自旋計算器件與芯片 397
14.1 存算一體 397
14.1.1 存算一體的技術簡介 397
14.1.2 存算一體的技術方案與挑戰 399
14.1.3 自旋存算一體 403
14.2 自旋類腦器件及芯片 410
14.2.1 自旋類腦器件 411
14.2.2 類腦計算模型 413
14.2.3 類腦計算芯片 416
14.3 磁旋邏輯器件 417
14.3.1 磁旋邏輯器件的基本結構 418
14.3.2 基於磁電耦合效應的信息寫入 418
14.3.3 基於逆自旋霍爾效應的信息讀取 422
14.3.4 磁旋邏輯建模和模擬驗證 425
14.3.5 磁旋邏輯器件展望 427
14.4 本章小結 427
思考題 428
參考文獻 428
中英文術語對照表 443
