自旋电子科学与技术

● 十四五”时期国家重点出版物出版专项规划项目

● 工业和信息化部“十四五”规划专著

【内容简介】

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年增长超过10万倍，巨磁阻效应的发现者—法国科学家阿尔贝·费尔（Albert Fert）和德国科学家彼得·格林贝格（Peter Grünberg）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...

(展开全部)

● 十四五”时期国家重点出版物出版专项规划项目

● 工业和信息化部“十四五”规划专著

【内容简介】

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年增长超过10万倍，巨磁阻效应的发现者—法国科学家阿尔贝·费尔（Albert Fert）和德国科学家彼得·格林贝格（Peter Grünberg）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和自旋计算器件与芯片等内容。

本书既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的重要参考资料。

☆ 前瞻性：聚焦后摩尔时代微电子技术的研究前沿，以新视野构建自旋电子学知识体系

☆ 系统性：涵盖了电子自旋的效应、相关电子器件、芯片设计、芯片制备设备及加工工艺等相关知识

☆ 实用性：介绍了自旋电子的四种典型应用场景，有助于读者了解自旋电子技术在未来集成电路行业的应用趋势

【专家推荐】

@都有为院士（中国科学院院士、磁学与自旋电子学专家、南京大学物理系教授）作序推荐：当前，集成电路产业正面临着难以突破的功耗及速度等瓶颈，半个多世纪以来“运行良好”的摩尔定律已经开始失效。自旋芯片被广泛认为是有望突破“后摩尔时代”功耗及速度等瓶颈的关键技术之一。随着半导体领军企业宣布量产嵌入式磁随机存储器，自旋电子学的发展又迎来一个新的篇章。《自旋电子科学与技术》从学科的起源和发展历程出发，深入阐释与该学科相关的物理效应与器件，并着重介绍自旋芯片的设计、工艺、测试及应用等内容，有助于读者掌握自旋电子学的基础理论知识、解决关键科学技术问题以及从事相关领域的研究。

@沈保根院士（中国科学院院士、磁学和磁性材料专家、中国科学院物理研究所研究员）高度评价：自旋电子学是一门新兴交叉学科，其研究成果被快速应用在硬盘、磁传感器、磁存储器等产品，引发了信息存储变革，开辟了大数据、云计算和高速搜索引擎的新型信息时代。《自旋电子科学与技术》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关键知识，系统、精准地架构出自旋电子学全领域核心知识体系，入选了工信部“十四五”规划专著和“十四五”时期国家重点出版物出版专项规划项目，是自旋电子学相关领域高年级本科生、研究生及科研工作者的理想读物。

赵巍胜，长期从事大规模集成电路、新型非易失性存储芯片及自旋电子学等交叉方向研究，现担任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、北京航空航天大学研究生院常务副院长、工业和信息化部空天信自旋电子技术重点实验室主任、集成电路领域国际旗舰期刊IEEE Transactions on Circuits and Systems-I: Regular Paper总主编。2019年当选IEEE Fellow；2020年获聘教育部长江学者，入选爱思唯尔“中国高被引学者”；2021年获科学探索奖，中国电子学会科学技术奖自然科学一等奖。

2007年获法国南巴黎大学（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后取得了一系列国际领先的科研成果，如首次展示了将自旋轨道矩与...

(展开全部)

赵巍胜，长期从事大规模集成电路、新型非易失性存储芯片及自旋电子学等交叉方向研究，现担任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、北京航空航天大学研究生院常务副院长、工业和信息化部空天信自旋电子技术重点实验室主任、集成电路领域国际旗舰期刊IEEE Transactions on Circuits and Systems-I: Regular Paper总主编。2019年当选IEEE Fellow；2020年获聘教育部长江学者，入选爱思唯尔“中国高被引学者”；2021年获科学探索奖，中国电子学会科学技术奖自然科学一等奖。

2007年获法国南巴黎大学（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后取得了一系列国际领先的科研成果，如首次展示了将自旋轨道矩与自旋转移矩结合实现高速读写的自旋电子存储器件（Nature Electronics，2018），研制了超高隧穿磁阻器件（Nature Communications，2018）、基于自旋轨道矩翻转界面偏置的自旋电子器件（Nature Electronics，2020）等。近五年发表ESI高被引论文7篇，总索引超过13000次，H因子62；获授权专利75项，转让专利22项，曾担任2020年第30届 ACM GLSVLSI大会主席等学术会议职务。

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
· · · · · · (更多)

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自旋芯片的最新发展 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
8.31 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
13.2Toggle-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
13.2.3Toggle-MRAM的发展现状与未来展望 371
13.3STT-MRAM 371
13.3.1STT-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
13.4SOT-MRAM 377
13.4.1SOT-MRAM的写入机理 379
13.4.2SOT-MRAM的设计难点 381
13.4.3SOT-MRAM的工艺挑战 384
13.4.4SOT-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
· · · · · · (收起)