自旋電子科學與技術(精裝版)(精)/集成電路科學與工程前沿
內容大鋼
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、從晶元設計到應用場景的相關知識。全書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、自旋納米振蕩器、斯格明子、自旋晶元電路設計及模擬等內容。
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。
作者介紹
編者:趙巍勝//張博宇//彭守仲|責編:賀瑞君
趙巍勝，長期從事大規模集成電路、新型非易失性存儲晶元及自旋電子學等交叉方向研究，現擔任中國科學技術協會第十屆全國委員會常務委員會委員、第八屆教育部科學技術委員會委員、北京航空航天大學研究生院常務副院長、工業和信息化部空天信自旋電子技術重點實驗室主任、集成電路領域國際旗艦期刊IEEE Transac-tions on Circuits and Systems-I: Regular Paper總主編。2019年當選IEEE Fellow；2020年獲聘教育部長江學者，入選愛思唯爾「中國高被引學者」；2021年獲科學探索獎，中國電子學會科學技術獎自然科學一等獎。
2007年獲法國南巴黎大學（現巴黎薩克雷大學）物理學博士學位，2009年任法國國家科學院研究員（終身職位），2013年入職北京航空航天大學后取得了一系列國際領先的科研成果，如首次展示了將自旋軌道矩與自旋轉移矩結合實現高速讀寫的自旋電子存儲器件（Nature Electronics,2018）,研製了超高隧穿磁阻器件（Nature Commu-nications,2018）、基於自旋軌道矩翻轉界面偏置的自旋電子器件（Nature Electronics,2020）等。近五年發表ESI高被引論文7篇，總索引超過13000次，H因子62；獲授權專利75項，轉讓專利22項，曾擔任2020年第30屆ACM GLSVLSI大會主席等學術會議職務。
目錄
第1章 自旋電子的起源與發展歷程
1.1 自旋電子的起源
1.1.1 電子的發現
1.1.2 電子自旋的發現
1.1.3 磁性與自旋
1.2 自旋電子的發展歷程
1.2.1 自旋電子的早期應用
1.2.2 自旋電子的大規模應用
1.2.3 自旋晶元的新發展
1.3 本章小結
思考題
參考文獻
第2章 巨磁阻效應及器件
2.1 巨磁阻效應原理
2.1.1 巨磁阻效應的發現
2.1.2 巨磁阻效應的理論模型
2.2 巨磁阻效應器件
2.2.1 電流在平面內型器件
2.2.2 電流垂直於平面型器件
2.3 本章小結
思考題
參考文獻
第3章 隧穿磁阻效應及器件
3.1 隧穿磁阻效應
3.1.1 隧穿磁阻效應的發現
3.1.2 隧穿磁阻效應的理論模型
3.2 面內磁隧道結器件
3.2.1 磁各向異性的機理
3.2.2 基於Al-O勢壘的磁隧道結
3.2.3 基於MgO勢壘的磁隧道結
3.2.4 面內磁隧道結的基本結構及性能優化
3.3 垂直磁隧道結器件
3.3.1 垂直磁各向異性的發展
3.3.2 垂直磁隧道結的基本結構及性能優化
3.4 本章小結
思考題
參考文獻
第4章 自旋轉移矩效應及器件
4.1 自旋轉移矩效應
4.1.1 磁動力學原理及其發展歷程
4.1.2 自旋轉移矩效應的原理
4.1.3 自旋轉移矩效應的實驗驗證
4.2 自旋轉移矩器件
4.2.1 基於面內磁各向異性的磁隧道結
4.2.2 基於垂直磁各向異性的磁隧道結
4.2.3 新型自旋轉移矩器件結構優化
4.3 本章小結
思考題
參考文獻
第5章 自旋軌道矩效應及器件
5.1 自旋軌道矩效應
5.1.1 自旋軌道耦合
5.1.2 自旋霍爾效應
5.1.3 Rashba-Edelstein效應
5.1.4 自旋軌道矩翻轉的微觀機理
5.1.5 自旋軌道矩與自旋轉移矩的協同效應
5.2 自旋軌道矩器件的關鍵材料
5.2.1 非磁性重金屬
5.2.2 反鐵磁金屬
5.2.3 拓撲絕緣體
5.3 自旋軌道矩器件
5.3.1 面內磁各向異性自旋軌道矩器件
5.3.2 面內雜散場輔助的自旋軌道矩器件
5.3.3 交換偏置場輔助的自旋軌道矩器件
5.3.4 自旋軌道矩與自旋轉移矩協同器件
5.3.5 自旋軌道矩與電壓調控磁各向異性協同器件
5.4 本章小結
思考題
參考文獻
第6章 自旋納米振蕩器
6.1 自旋納米振蕩器概述
6.1.1 自旋納米振蕩器的工作原理
6.1.2 自旋納米振蕩器的基本結構
6.1.3 自旋納米振蕩器的振蕩模式
6.2 自旋納米振蕩器的關鍵性能
6.2.1 自旋納米振蕩器的基礎性能
6.2.2 自旋納米振蕩器的同步特性
6.3 基於自旋納米振蕩器的潛在應用
6.3.1 基於自旋納米振蕩器的類腦計算
6.3.2 基於自旋納米振蕩器的其他潛在應用
6.4 自旋納米振蕩器存在的問題與解決方案
6.4.1 自旋納米振蕩器的性能瓶頸
6.4.2 自旋納米振蕩器集成電路設計的複雜性
6.5 本章小結
思考題
參考文獻
第7章 斯格明子
7.1 斯格明子概述
7.1.1 斯格明子的定義與拓撲穩定性
7.1.2 斯格明子的發現過程
7.1.3 斯格明子的研究意義
7.2 斯格明子的研究方法
7.2.1 斯格明子的微磁學模擬計算
7.2.2 斯格明子表徵的相關實驗技術
7.3 斯格明子的材料體系
7.3.1 手性磁體
7.3.2 磁性薄膜
7.3.3 二維范德瓦爾斯材料
7.4 斯格明子電子學的物理基礎
7.4.1 斯格明子的產生
7.4.2 斯格明子的輸運
7.4.3 斯格明子的檢測
7.5 斯格明子電子器件概念及應用
7.5.1 基於斯格明子的傳統器件
7.5.2 基於斯格明子的新型計算器件
7.6 斯格明子電子學未來的發展與挑戰
7.7 本章小結
思考題
參考文獻
第8章 自旋晶元電路設計及模擬
8.1 自旋電子器件建模與驗證
8.1.1 物理模型
8.1.2 模型構架
8.1.3 模型模擬驗證
8.2 自旋電子器件工藝設計包
8.2.1 器件單元庫
8.2.2 工藝文件
8.2.3 版圖驗證文件
8.2.4 標準單元庫
8.31 KB磁存儲器電路的設計與模擬驗證
8.3.1 系統架構
8.3.2 核心模塊電路
8.3.3 功能模擬驗證
8.4 本章小結
思考題
參考文獻
第9章 自旋晶元特種設備及工藝
9.1 器件製備工藝概述
9.1.1 巨磁阻器件的製備工藝
9.1.2 磁隧道結器件的製備工藝
9.2 膜堆製備設備及工藝
9.2.1 超高真空磁控濺射設備及工藝
9.2.2 磁場退火設備及工藝
9.3 圖形轉移設備及工藝
9.3.1 光刻設備及工藝
9.3.2 刻蝕設備及工藝
9.4 器件片上集成工藝
9.4.1 磁隧道結前處理工藝
9.4.2 磁隧道結后處理工藝
9.5 本章小結
思考題
參考文獻
第10章 自旋晶元測試與表徵技術
10.1 薄膜基本磁性表徵技術
10.1.1 磁強計
10.1.2 磁光克爾測量儀
10.1.3 鐵磁共振表徵技術
10.1.4 時間分辨磁光克爾測量儀
10.1.5 磁光克爾顯微成像及磁疇動力學表徵
10.1.6 布里淵光散射裝置
10.1.7 X射線磁圓二色
10.2 自旋電子器件表徵技術
10.2.1 自旋輸運測試
10.2.2 磁動態超快電學特性表徵技術
10.2.3 自旋電子器件中的磁疇動力學表徵
10.3 自旋晶元表徵
10.3.1 晶圓級多維度磁場探針台
10.3.2 電流面內隧穿測試儀
10.4 本章小結
思考題
參考文獻
第11章 磁感測晶元及應用
11.1 磁感測晶元概述
11.1.1 感測單元
11.1.2 惠斯通電橋結構
11.1.3 感測器電路
11.2 磁感測晶元中的雜訊
11.2.1 雜訊來源
11.2.2 降噪方法
11.3 磁感測晶元應用
11.3.1 電子羅盤
11.3.2 轉速檢測
11.3.3 電流檢測
11.3.4 生物醫學檢測
11.4 本章小結
思考題
參考文獻
第12章 大容量磁記錄技術
12.1 硬碟存儲技術的發展
12.1.1 水平磁記錄與垂直磁記錄
12.1.2 硬碟磁頭
12.1.3 大容量存儲面臨的挑戰
12.2 微波輔助磁記錄
12.2.1 微波輔助磁翻轉效應
12.2.2 微波輔助磁記錄系統的結構
12.2.3 微波輔助磁記錄系統的設計及優化
12.3 熱輔助磁記錄
12.3.1 熱輔助磁記錄基本原理
12.3.2 熱輔助磁記錄系統的結構
12.3.3 熱輔助磁記錄系統的設計及優化
12.4 本章小結
思考題
參考文獻
第13章 磁隨機存儲晶元及應用
13.1 磁隨機存儲器的發展及現狀
13.2 Toggle-MRAM
13.2.1 磁場寫入方法及原理
13.2.2 Toggle-MRAM的主要應用場景
13.2.3 Toggle-MRAM的發展現狀與未來展望
13.3 STT-MRAM
13.3.1 STT-MRAM的發展歷程
13.3.2 STT-MRAM的主要應用場景
13.3.3 STT-MRAM的發展現狀與未來展望
13.4 SOT-MRAM
13.4.1 SOT-MRAM的寫入機理
13.4.2 SOT-MRAM的設計難點
13.4.3 SOT-MRAM的工藝挑戰
13.4.4 SOT-MRAM的現狀與展望
13.5 本章小結
思考題
參考文獻
第14章 自旋計算器件與晶元
14.1 存算一體
14.1.1 存算一體的技術簡介
14.1.2 存算一體的技術方案與挑戰
14.1.3 自旋存算一體
14.2 自旋類腦器件及晶元
14.2.1 自旋類腦器件
14.2.2 類腦計算模型
14.2.3 類腦計算晶元
14.3 磁旋邏輯器件
14.3.1 磁旋邏輯器件的基本結構
14.3.2 基於磁電耦合效應的信息寫入
14.3.3 基於逆自旋霍爾效應的信息讀取
14.3.4 磁旋邏輯建模和模擬驗證
14.3.5 磁旋邏輯器件展望
14.4 本章小結
思考題
參考文獻
中英文術語對照表
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