自旋电子科学与技术精装版人民邮电 9787115620996 赵巍胜张博宇彭守仲

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作者: 赵巍胜张博宇彭守仲
出版社: 人民邮电
ISBN: 9787115620996

出版时间: 2023-12
装帧: 其他
开本: 其他

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出版社: 人民邮电

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工程技术

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作者简介
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IEEEFellow，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IEEENANOARCH2016及ACMGLSVLSI2020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20000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。

目录
第 1 章自旋电子的起源与发展历程 1
1.1　自旋电子的起源　1
1.1.1　电子的发现　1
1.1.2　电子自旋的发现　4
1.1.3　磁性与自旋　7
1.2　自旋电子的发展历程　10
1.2.1　自旋电子的早期应用　11
1.2.2　自旋电子的大规模应用　14
1.2.3　自旋芯片的新近发展　15
1.3　本章小结　19
思考题　19
参考文献　20

第　2 章巨磁阻效应及器件　25
2.1　巨磁阻效应原理　26
2.1.1　巨磁阻效应的发现　26
2.1.2　巨磁阻效应的理论模型　29
2.2　巨磁阻效应器件　31
2.2.1　电流在平面内型器件　32
2.2.2　电流垂直于平面型器件　35
2.3　本章小结　39
思考题　39
参考文献　39

第3　章隧穿磁阻效应及器件　43
3.1　隧穿磁阻效应　43
3.1.1　隧穿磁阻效应的发现　43
3.1.2　隧穿磁阻效应的理论模型　45
3.2　面内磁隧道结器件　46
3.2.1　磁各向异性的机理　47
3.2.2　基于Al-O 势垒的磁隧道结　48
3.2.3　基于MgO 势垒的磁隧道结　49
3.2.4　面内磁隧道结的基本结构及性能优化　54
3.3　垂直磁隧道结器件　57
3.3.1　垂直磁各向异性的发展　57
3.3.2　垂直磁隧道结的基本结构及性能优化　60
3.4　本章小结　65
思考题　66
参考文献　66

第4　章自旋转移矩效应及器件　73
4.1　自旋转移矩效应　73
4.1.1　磁动力学原理及其发展历程　73
4.1.2　自旋转移矩效应的原理　76
4.1.3　自旋转移矩效应的实验验证　78
4.2　自旋转移矩器件　79
4.2.1　基于面内磁各向异性的磁隧道结　79
4.2.2　基于垂直磁各向异性的磁隧道结　83
4.2.3　新型自旋转移矩器件结构优化　87
4.3　本章小结　92
思考题　92
参考文献　93

第5　章自旋轨道矩效应及器件　99
5.1　自旋轨道矩效应　99
5.1.1　自旋轨道耦合　100
5.1.2　自旋霍尔效应　101
5.1.3　Rashba-Edelstein 效应　102
5.1.4　自旋轨道矩翻转的微观机理　103
5.1.5　自旋轨道矩与自旋转移矩的协同效应　105
5.2　自旋轨道矩器件的关键材料　106
5.2.1　非磁性重金属　106
5.2.2　反铁磁金属　108
5.2.3　拓扑绝缘体　109
5.3　自旋轨道矩器件　110
5.3.1　面内磁各向异性自旋轨道矩器件　110
5.3.2　面内杂散场辅助的自旋轨道矩器件　111
5.3.3　交换偏置场辅助的自旋轨道矩器件　112
5.3.4　自旋轨道矩与自旋转移矩协同器件　114
5.3.5　自旋轨道矩与电压调控磁各向异性协同器件　116
5.4　本章小结　119
思考题　119
参考文献　120

第6　章自旋纳米振荡器　129
6.1　自旋纳米振荡器概述　129
6.1.1　自旋纳米振荡器的工作原理　130
6.1.2　自旋纳米振荡器的基本结构　131
6.1.3　自旋纳米振荡器的振荡模式　135
6.2　自旋纳米振荡器的关键性能　139
6.2.1　自旋纳米振荡器的基础性能　139
6.2.2　自旋纳米振荡器的同步特性　142
6.3　基于自旋纳米振荡器的潜在应用　144
6.3.1　基于自旋纳米振荡器的类脑计算　144
6.3.2　基于自旋纳米振荡器的其他潜在应用　145
6.4　自旋纳米振荡器存在的问题与解决方案　147
6.4.1　自旋纳米振荡器的性能瓶颈　147
6.4.2　自旋纳米振荡器集成电路设计的复杂性　148
6.5　本章小结　149
思考题　150
参考文献　150

第7　章斯格明子　155
7.1　斯格明子概述　155
7.1.1　斯格明子的定义与拓扑稳定性　155
7.1.2　斯格明子的发现过程　160
7.1.3　斯格明子的研究意义　160
7.2　斯格明子的研究方法　162
7.2.1　斯格明子的微磁学仿真计算　162
7.2.2　斯格明子表征的相关实验技术　163
7.3　斯格明子的材料体系　166
7.3.1　手性磁体　166
7.3.2　磁性薄膜　166
7.3.3　二维范德瓦尔斯材料　168
7.4　斯格明子电子学的物理基础　168
7.4.1　斯格明子的产生　168
7.4.2　斯格明子的输运　171
7.4.3　斯格明子的检测　173
7.5　斯格明子电子器件概念及应用　175
7.5.1　基于斯格明子的传统器件　175
7.5.2　基于斯格明子的新型计算器件　178
7.6　斯格明子电子学未来的发展与挑战　183
7.7　本章小结　184
思考题　185
参考文献　185

第8　章自旋芯片电路设计及仿真　191
8.1　自旋电子器件建模与验证　192
8.1.1　物理模型　193
8.1.2　模型构架　198
8.1.3　模型仿真验证　201
8.2　自旋电子器件工艺设计包　205
8.2.1　器件单元库　206
8.2.2　工艺文件　206
8.2.3　版图验证文件　207
8.2.4　标准单元库　209
8.3　1 KB 磁存储器电路的设计与仿真验证　210
8.3.1　系统架构　210
8.3.2　核心模块电路　212
8.3.3　功能仿真验证　218
8.4　本章小结　219
思考题　220
参考文献　220

第9　章自旋芯片特种设备及工艺　224
9.1　器件制备工艺概述　224
9.1.1　巨磁阻器件的制备工艺　225
9.1.2　磁隧道结器件的制备工艺　226
9.2　膜堆制备设备及工艺　228
9.2.1　超高真空磁控溅射设备及工艺　229
9.2.2　磁场退火设备及工艺　239
9.3　图形转移设备及工艺　241
9.3.1　光刻设备及工艺　241
9.3.2　刻蚀设备及工艺　246
9.4　器件片上集成工艺　251
9.4.1　磁隧道结前处理工艺　253
9.4.2　磁隧道结后处理工艺　255
9.5　本章小结　256
思考题　257
参考文献　257

第　10 章自旋芯片测试与表征技术　263
10.1　薄膜基本磁性表征技术　263
10.1.1　磁强计　263
10.1.2　磁光克尔测量仪　266
10.1.3　铁磁共振表征技术　267
10.1.4　时间分辨磁光克尔测量仪　274
10.1.5　磁光克尔显微成像及磁畴动力学表征　276
10.1.6　布里渊光散射装置　283
10.1.7　X 射线磁圆二色　286
10.2　自旋电子器件表征技术　289
10.2.1　自旋输运测试　289
10.2.2　磁动态超快电学特性表征技术　296
10.2.3　自旋电子器件中的磁畴动力学表征　298
10.3　自旋芯片表征　299
10.3.1　晶圆级多维度磁场探针台　300
10.3.2　电流面内隧穿测试仪　301
10.4　本章小结　303
思考题　303
参考文献　303

第　11 章磁传感芯片及应用　311
11.1　磁传感芯片概述　311
11.1.1　传感单元　312
11.1.2　惠斯通电桥结构　316
11.1.3　传感器电路　320
11.2　磁传感芯片中的噪声　320
11.2.1　噪声来源　322
11.2.2　降噪方法　324
11.3　磁传感芯片应用　326
11.3.1　电子罗盘　326
11.3.2　转速检测　329
11.3.3　电流检测　331
11.3.4　生物医学检测　332
11.4　本章小结　334
思考题　335
参考文献　335

第　12 章大容量磁记录技术　341
12.1　硬盘存储技术的发展　341
12.1.1　水平磁记录与垂直磁记录　341
12.1.2　硬盘磁头　342
12.1.3　大容量存储面临的挑战　345
12.2　微波辅助磁记录　346
12.2.1　微波辅助磁翻转效应　346
12.2.2　微波辅助磁记录系统的结构　349
12.2.3　微波辅助磁记录系统的设计及优化　350
12.3　热辅助磁记录　353
12.3.1　热辅助磁记录基本原理　353
12.3.2　热辅助磁记录系统的结构　356
12.3.3　热辅助磁记录系统的设计及优化　358
12.4　本章小结　362
思考题　363
参考文献　363

第　13 章磁随机存储芯片及应用　366
13.1　磁随机存储器的发展及现状　366
13.2　Toggle-MRAM　369
13.2.1　磁场写入方法及原理　369
13.2.2　Toggle-MRAM 的主要应用场景　370
13.2.3　Toggle-MRAM 的发展现状与未来展望　371
13.3　STT-MRAM　371
13.3.1　STT-MRAM 的发展历程　371
13.3.2　STT-MRAM 的主要应用场景　374
13.3.3　STT-MRAM 的发展现状与未来展望　377
13.4　SOT-MRAM　377
13.4.1　SOT-MRAM 的写入机理　379
13.4.2　SOT-MRAM 的设计难点　381
13.4.3　SOT-MRAM 的工艺挑战　384
13.4.4　SOT-MRAM 的现状与展望　385
13.5　本章小结　387
思考题　387
参考文献　388

第　14 章自旋计算器件与芯片　397
14.1　存算一体　397
14.1.1　存算一体的技术简介　397
14.1.2　存算一体的技术方案与挑战　399
14.1.3　自旋存算一体　403
14.2　自旋类脑器件及芯片　410
14.2.1　自旋类脑器件　411
14.2.2　类脑计算模型　413
14.2.3　类脑计算芯片　416
14.3　磁旋逻辑器件　417
14.3.1　磁旋逻辑器件的基本结构　418
14.3.2　基于磁电耦合效应的信息写入　418
14.3.3　基于逆自旋霍尔效应的信息读取　422
14.3.4　磁旋逻辑建模和仿真验证　425
14.3.5　磁旋逻辑器件展望　427
14.4　本章小结　427
思考题　428
参考文献　428
中英文术语对照表　443

内容摘要
自旋电子学是凝聚态物理学、物理电子学、微电子学、固体电子学等多学科交叉形成的一门新兴学科，目前已经成为信息科学与技术领域的重要组成部分。利用对电子自旋属性的控制以及电子自旋的诸多效应可以设计电子器件。例如，基于巨磁阻效应的自旋电子器件在硬盘上作为磁头的广泛使用，使硬盘容量在过去20年增长过10万倍，巨磁阻效应的发现者—法国科学家阿尔贝·费尔（AlbertFert）和德国科学家彼得·格林贝格（PeterGrünberg）也因此于2007年被授予诺贝尔物理学奖。
本书基于自旋电子学领域近15年快速发展所取得的重要研究成果编写而成，力求具有前瞻性、系统性和实用性，内容涵盖从物理机理到电子器件、从特种设备到加工工艺、从芯片设计到应用场景的相关知识。全书共14章，主要包括自旋电子的起源与发展历程、巨磁阻效应及器件、隧穿磁阻效应及器件、自旋转移矩效应及器件、自旋轨道矩效应及器件、自旋纳米振荡器、斯格明子、自旋芯片电路设计及仿真、自旋芯片特种设备及工艺、自旋芯片测试与表征技术、磁传感芯片及应用、大容量磁记录技术、磁随机存储芯片及应用，以及自旋计算器件与芯片等内容。
本书可作为高等学校自旋电子学相关专业研究生和高年级本科生的教材，也可作为自旋电子学相关领域科研工作者和工程技术人员的重要参考资料。
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