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内容大纲
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。 -
作者介绍
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 Transac-tions 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 Commu-nications,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。 -
目录
第1章 自旋电子的起源与发展历程
1.1 自旋电子的起源
1.1.1 电子的发现
1.1.2 电子自旋的发现
1.1.3 磁性与自旋
1.2 自旋电子的发展历程
1.2.1 自旋电子的早期应用
1.2.2 自旋电子的大规模应用
1.2.3 自旋芯片的新发展
1.3 本章小结
思考题
参考文献
第2章 巨磁阻效应及器件
2.1 巨磁阻效应原理
2.1.1 巨磁阻效应的发现
2.1.2 巨磁阻效应的理论模型
2.2 巨磁阻效应器件
2.2.1 电流在平面内型器件
2.2.2 电流垂直于平面型器件
2.3 本章小结
思考题
参考文献
第3章 隧穿磁阻效应及器件
3.1 隧穿磁阻效应
3.1.1 隧穿磁阻效应的发现
3.1.2 隧穿磁阻效应的理论模型
3.2 面内磁隧道结器件
3.2.1 磁各向异性的机理
3.2.2 基于Al-O势垒的磁隧道结
3.2.3 基于MgO势垒的磁隧道结
3.2.4 面内磁隧道结的基本结构及性能优化
3.3 垂直磁隧道结器件
3.3.1 垂直磁各向异性的发展
3.3.2 垂直磁隧道结的基本结构及性能优化
3.4 本章小结
思考题
参考文献
第4章 自旋转移矩效应及器件
4.1 自旋转移矩效应
4.1.1 磁动力学原理及其发展历程
4.1.2 自旋转移矩效应的原理
4.1.3 自旋转移矩效应的实验验证
4.2 自旋转移矩器件
4.2.1 基于面内磁各向异性的磁隧道结
4.2.2 基于垂直磁各向异性的磁隧道结
4.2.3 新型自旋转移矩器件结构优化
4.3 本章小结
思考题
参考文献
第5章 自旋轨道矩效应及器件
5.1 自旋轨道矩效应
5.1.1 自旋轨道耦合
5.1.2 自旋霍尔效应
5.1.3 Rashba-Edelstein效应
5.1.4 自旋轨道矩翻转的微观机理
5.1.5 自旋轨道矩与自旋转移矩的协同效应
5.2 自旋轨道矩器件的关键材料
5.2.1 非磁性重金属
5.2.2 反铁磁金属
5.2.3 拓扑绝缘体
5.3 自旋轨道矩器件
5.3.1 面内磁各向异性自旋轨道矩器件
5.3.2 面内杂散场辅助的自旋轨道矩器件
5.3.3 交换偏置场辅助的自旋轨道矩器件
5.3.4 自旋轨道矩与自旋转移矩协同器件
5.3.5 自旋轨道矩与电压调控磁各向异性协同器件
5.4 本章小结
思考题
参考文献
第6章 自旋纳米振荡器
6.1 自旋纳米振荡器概述
6.1.1 自旋纳米振荡器的工作原理
6.1.2 自旋纳米振荡器的基本结构
6.1.3 自旋纳米振荡器的振荡模式
6.2 自旋纳米振荡器的关键性能
6.2.1 自旋纳米振荡器的基础性能
6.2.2 自旋纳米振荡器的同步特性
6.3 基于自旋纳米振荡器的潜在应用
6.3.1 基于自旋纳米振荡器的类脑计算
6.3.2 基于自旋纳米振荡器的其他潜在应用
6.4 自旋纳米振荡器存在的问题与解决方案
6.4.1 自旋纳米振荡器的性能瓶颈
6.4.2 自旋纳米振荡器集成电路设计的复杂性
6.5 本章小结
思考题
参考文献
第7章 斯格明子
7.1 斯格明子概述
7.1.1 斯格明子的定义与拓扑稳定性
7.1.2 斯格明子的发现过程
7.1.3 斯格明子的研究意义
7.2 斯格明子的研究方法
7.2.1 斯格明子的微磁学仿真计算
7.2.2 斯格明子表征的相关实验技术
7.3 斯格明子的材料体系
7.3.1 手性磁体
7.3.2 磁性薄膜
7.3.3 二维范德瓦尔斯材料
7.4 斯格明子电子学的物理基础
7.4.1 斯格明子的产生
7.4.2 斯格明子的输运
7.4.3 斯格明子的检测
7.5 斯格明子电子器件概念及应用
7.5.1 基于斯格明子的传统器件
7.5.2 基于斯格明子的新型计算器件
7.6 斯格明子电子学未来的发展与挑战
7.7 本章小结
思考题
参考文献
第8章 自旋芯片电路设计及仿真
8.1 自旋电子器件建模与验证
8.1.1 物理模型
8.1.2 模型构架
8.1.3 模型仿真验证
8.2 自旋电子器件工艺设计包
8.2.1 器件单元库
8.2.2 工艺文件
8.2.3 版图验证文件
8.2.4 标准单元库
8.31 KB磁存储器电路的设计与仿真验证
8.3.1 系统架构
8.3.2 核心模块电路
8.3.3 功能仿真验证
8.4 本章小结
思考题
参考文献
第9章 自旋芯片特种设备及工艺
9.1 器件制备工艺概述
9.1.1 巨磁阻器件的制备工艺
9.1.2 磁隧道结器件的制备工艺
9.2 膜堆制备设备及工艺
9.2.1 超高真空磁控溅射设备及工艺
9.2.2 磁场退火设备及工艺
9.3 图形转移设备及工艺
9.3.1 光刻设备及工艺
9.3.2 刻蚀设备及工艺
9.4 器件片上集成工艺
9.4.1 磁隧道结前处理工艺
9.4.2 磁隧道结后处理工艺
9.5 本章小结
思考题
参考文献
第10章 自旋芯片测试与表征技术
10.1 薄膜基本磁性表征技术
10.1.1 磁强计
10.1.2 磁光克尔测量仪
10.1.3 铁磁共振表征技术
10.1.4 时间分辨磁光克尔测量仪
10.1.5 磁光克尔显微成像及磁畴动力学表征
10.1.6 布里渊光散射装置
10.1.7 X射线磁圆二色
10.2 自旋电子器件表征技术
10.2.1 自旋输运测试
10.2.2 磁动态超快电学特性表征技术
10.2.3 自旋电子器件中的磁畴动力学表征
10.3 自旋芯片表征
10.3.1 晶圆级多维度磁场探针台
10.3.2 电流面内隧穿测试仪
10.4 本章小结
思考题
参考文献
第11章 磁传感芯片及应用
11.1 磁传感芯片概述
11.1.1 传感单元
11.1.2 惠斯通电桥结构
11.1.3 传感器电路
11.2 磁传感芯片中的噪声
11.2.1 噪声来源
11.2.2 降噪方法
11.3 磁传感芯片应用
11.3.1 电子罗盘
11.3.2 转速检测
11.3.3 电流检测
11.3.4 生物医学检测
11.4 本章小结
思考题
参考文献
第12章 大容量磁记录技术
12.1 硬盘存储技术的发展
12.1.1 水平磁记录与垂直磁记录
12.1.2 硬盘磁头
12.1.3 大容量存储面临的挑战
12.2 微波辅助磁记录
12.2.1 微波辅助磁翻转效应
12.2.2 微波辅助磁记录系统的结构
12.2.3 微波辅助磁记录系统的设计及优化
12.3 热辅助磁记录
12.3.1 热辅助磁记录基本原理
12.3.2 热辅助磁记录系统的结构
12.3.3 热辅助磁记录系统的设计及优化
12.4 本章小结
思考题
参考文献
第13章 磁随机存储芯片及应用
13.1 磁随机存储器的发展及现状
13.2 Toggle-MRAM
13.2.1 磁场写入方法及原理
13.2.2 Toggle-MRAM的主要应用场景
13.2.3 Toggle-MRAM的发展现状与未来展望
13.3 STT-MRAM
13.3.1 STT-MRAM的发展历程
13.3.2 STT-MRAM的主要应用场景
13.3.3 STT-MRAM的发展现状与未来展望
13.4 SOT-MRAM
13.4.1 SOT-MRAM的写入机理
13.4.2 SOT-MRAM的设计难点
13.4.3 SOT-MRAM的工艺挑战
13.4.4 SOT-MRAM的现状与展望
13.5 本章小结
思考题
参考文献
第14章 自旋计算器件与芯片
14.1 存算一体
14.1.1 存算一体的技术简介
14.1.2 存算一体的技术方案与挑战
14.1.3 自旋存算一体
14.2 自旋类脑器件及芯片
14.2.1 自旋类脑器件
14.2.2 类脑计算模型
14.2.3 类脑计算芯片
14.3 磁旋逻辑器件
14.3.1 磁旋逻辑器件的基本结构
14.3.2 基于磁电耦合效应的信息写入
14.3.3 基于逆自旋霍尔效应的信息读取
14.3.4 磁旋逻辑建模和仿真验证
14.3.5 磁旋逻辑器件展望
14.4 本章小结
思考题
参考文献
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