自旋電子科學與技術精裝版

定　價：￥218.00

作　者：	趙巍勝張博宇彭守仲
出版社：	人民郵電出版社
叢編項：
標　簽：	暫缺

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ISBN：	9787115620996	出版時間：	2023-12-01	包裝：	平裝-膠訂
開本：	128開	頁數(shù)：		字數(shù)：

內(nèi)容簡介

　　自旋電子學是凝聚態(tài)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(jīng)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，基于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(fā)現(xiàn)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）也因此于2007 年被授予諾貝爾物理學獎。本書基于自旋電子學領域近15年快速發(fā)展所取得的重要研究成果編寫而成，力求具有前瞻性、系統(tǒng)性和實用性，內(nèi)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(fā)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、自旋芯片電路設計及仿真、自旋芯片特種設備及工藝、自旋芯片測試與表征技術、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(nèi)容。本書可作為高等學校自旋電子學相關專業(yè)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

　　趙巍勝中國科學技術協(xié)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、北京航空航天大學副校長、自旋芯片與技術全國重點實驗室常務副主任、“空天信自旋電子技術”工信部重點實驗室主任、《集成電路與嵌入式系統(tǒng)》期刊主編。 2019 年入選IEEE Fellow，2020 年入選教育部“長江學者獎勵計劃”，2021 年獲科學探索獎和中國電子學會科學技術獎（自然科學）一等獎，2022年獲華為奧林帕斯先鋒獎，2023 年獲中國儀器儀表學會科學技術獎技術發(fā)明一等獎，2020—2022 年連續(xù)入選愛思唯爾“中國高被引學者”，曾擔任IEEENANOARCH 2016 及ACM GLSVLSI 2020 國際會議大會主席。 2007 年獲法國巴黎南大學（現(xiàn)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。長期從事自旋電子學、新型信息器件、新型非易失存儲器等領域的交叉研究，取得了一系列原創(chuàng)性研究成果。2018—2023 年間，共發(fā)表ESI 高被引論文15 篇，總被引20 000余次，H 因子76；獲150 余項發(fā)明專利授權，產(chǎn)權轉讓或授權使用50 余項。

圖書目錄

第 1 章自旋電子的起源與發(fā)展歷程 1
1.1　自旋電子的起源　1
1.1.1　電子的發(fā)現(xiàn)　1
1.1.2　電子自旋的發(fā)現(xiàn)　4
1.1.3　磁性與自旋　7
1.2　自旋電子的發(fā)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(guī)模應用　14
1.2.3　自旋芯片的新近發(fā)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(fā)現(xiàn)　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(nèi)型器件　32
2.2.2　電流垂直于平面型器件　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(fā)現(xiàn)　43
3.1.2　隧穿磁阻效應的理論模型　45
3.2　面內(nèi)磁隧道結器件　46
3.2.1　磁各向異性的機理　47
3.2.2　基于Al-O 勢壘的磁隧道結　48
3.2.3　基于MgO 勢壘的磁隧道結　49
3.2.4　面內(nèi)磁隧道結的基本結構及性能優(yōu)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(fā)展　57
3.3.2　垂直磁隧道結的基本結構及性能優(yōu)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(fā)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　基于面內(nèi)磁各向異性的磁隧道結　79
4.2.2　基于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(yōu)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(xié)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(nèi)磁各向異性自旋軌道矩器件　110
5.3.2　面內(nèi)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(xié)同器件　114
5.3.5　自旋軌道矩與電壓調(diào)控磁各向異性協(xié)同器件　116
5.4　本章小結　119
思考題　119
參考文獻　120

第6　章自旋納米振蕩器　129
6.1　自旋納米振蕩器概述　129
6.1.1　自旋納米振蕩器的工作原理　130
6.1.2　自旋納米振蕩器的基本結構　131
6.1.3　自旋納米振蕩器的振蕩模式　135
6.2　自旋納米振蕩器的關鍵性能　139
6.2.1　自旋納米振蕩器的基礎性能　139
6.2.2　自旋納米振蕩器的同步特性　142
6.3　基于自旋納米振蕩器的潛在應用　144
6.3.1　基于自旋納米振蕩器的類腦計算　144
6.3.2　基于自旋納米振蕩器的其他潛在應用　145
6.4　自旋納米振蕩器存在的問題與解決方案　147
6.4.1　自旋納米振蕩器的性能瓶頸　147
6.4.2　自旋納米振蕩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(wěn)定性　155
7.1.2　斯格明子的發(fā)現(xiàn)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　斯格明子的微磁學仿真計算　162
7.2.2　斯格明子表征的相關實驗技術　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　二維范德瓦爾斯材料　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(chǎn)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　基于斯格明子的傳統(tǒng)器件　175
7.5.2　基于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(fā)展與挑戰(zhàn)　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仿真　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　模型仿真驗證　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仿真驗證　210
8.3.1　系統(tǒng)架構　210
8.3.2　核心模塊電路　212
8.3.3　功能仿真驗證　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　磁隧道結后處理工藝　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征技術　263
10.1　薄膜基本磁性表征技術　263
10.1.1　磁強計　263
10.1.2　磁光克爾測量儀　266
10.1.3　鐵磁共振表征技術　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征　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　自旋電子器件表征技術　289
10.2.1　自旋輸運測試　289
10.2.2　磁動態(tài)超快電學特性表征技術　296
10.2.3　自旋電子器件中的磁疇動力學表征　298
10.3　自旋芯片表征　299
10.3.1　晶圓級多維度磁場探針臺　300
10.3.2　電流面內(nèi)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(yī)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(fā)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(zhàn)　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(tǒng)的結構　349
12.2.3　微波輔助磁記錄系統(tǒng)的設計及優(yōu)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(tǒng)的結構　356
12.3.3　熱輔助磁記錄系統(tǒng)的設計及優(yōu)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(fā)展及現(xiàn)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(fā)展現(xiàn)狀與未來展望　371
13.3　STT-MRAM　371
13.3.1　STT-MRAM 的發(fā)展歷程　371
13.3.2　STT-MRAM 的主要應用場景　374
13.3.3　STT-MRAM 的發(fā)展現(xiàn)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(zhàn)　384
13.4.4　SOT-MRAM 的現(xiàn)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(zhàn)　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　基于磁電耦合效應的信息寫入　418
14.3.3　基于逆自旋霍爾效應的信息讀取　422
14.3.4　磁旋邏輯建模和仿真驗證　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