自旋電子科學與技術 - 城邦阅读花园


	自旋電子學是凝聚態物理學、物理電子學、微電子學、固體電子學等多學科交叉的一門新興學科，目前已經成為資訊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，基於巨磁阻效應的自旋電子器件在硬碟上作為磁頭的廣泛使用，使硬碟容量在過去20年的增長超過10萬倍，巨磁阻效應的發現者法國科學家阿爾貝·費爾（Albert Fert）和德國科學家彼得·格林灣格（Peter Grünberg）也因此於2007年被授予諾貝爾物理學獎。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，力求前瞻性和系統性，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及發展歷程、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、自旋納米振盪器、斯格明子、自旋晶片電路設計及模擬、自旋晶片特種設備及工藝、自旋晶片測試及表徵技術、磁傳感晶片及應用、大容量磁記錄技術、磁隨機存儲晶片及應用和自旋計算器件與晶片。本書可作為高等學校自旋電子學相關專業的研究生和本科生教材，也可作為自旋電子學相關領域的科研工作者的重要參考資料。



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	目錄第1章　自旋電子的起源及發展歷程 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　自旋晶片的發展 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　自旋閥器件 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　面內磁各向異性磁隧道結器件 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　面內磁各向異性磁隧道結基本結構及性能優化 3.3　垂直磁各向異性磁隧道結器件 3.3.1　垂直磁各向異性的發展 3.3.2　垂直磁各向異性磁隧道結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 4.1.2　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　反鐵磁性金屬 5.2.3　拓撲緣體 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　自旋納米振盪器 6.1　自旋納米振盪器的基本知識 6.1.1　自旋納米振盪器的物理機理 6.1.2　自旋納米振盪器的基本結構 6.1.3　自旋納米振盪器的振盪模式 6.2　自旋納米振盪器的工作原理 6.2.1　自旋納米振盪器的基礎性能 6.2.2　自旋納米振盪器的同步特性 6.3　基於自旋納米振盪器的潛在應用 6.2.1　基於自旋納米振盪器的類腦計算 6.2.2　基於自旋納米振盪器的其他潛在應用 6.4　自旋納米振盪器存在的問題與解決方案 6.4.1　自旋納米振盪器的性能瓶頸 6.4.2　自旋納米振盪器積體電路設計的複雜性 6.5　本章小結思考題參考文獻第7章　斯格明子 7.1　斯格明子背景介紹 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　二維範德瓦爾斯材料 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　自旋晶片電路設計及模擬 8.1　自旋電子器件建模與驗證 8.1.1　物理模組 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　工藝檔 8.2.3　版圖驗證檔 8.2.4　標準單元庫 8.3　1 KB磁記憶體電路的設計與模擬驗證 8.3.1　系統架構 8.3.2　核心模組電路 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　自旋晶片特種設備及工藝 9.1　器件製備工藝概述 9.1.1　巨磁阻器件製備工藝 9.1.2　磁隧道結器件製備工藝 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　磁隧道結後處理工藝 9.5　本章小結思考題參考文獻第10章　自旋晶片測試及表徵技術 10.1　磁性表徵 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　布裡淵光散射裝置 10.1.7　X射線磁圓二色譜 10.2　自旋電子學表徵技術 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　自旋晶片表徵 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　磁傳感晶片及應用 11.1　磁傳感晶片基礎 11.1.1　傳感單元 11.1.2　惠斯通電橋結構 11.1.3　感測器電路 11.2　磁傳感晶片中的雜訊 11.2.1　雜訊來源 11.2.2　降噪方法 11.3　磁傳感晶片應用 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　水準磁記錄與垂直磁記錄 12.1.2　硬碟磁頭 12.1.3　大型存放區面臨的挑戰 12.2　微波輔助磁記錄 12.2.1　微波輔助磁翻轉效應 12.2.2　磁記錄系統的結構 12.2.3　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　磁記錄系統的結構 12.3.3　磁記錄系統的設計與優化 12.4　本章小結思考題參考文獻第13章　磁隨機存儲晶片及應用 13.1磁隨機記憶體的發展及現狀 13.2磁場寫入磁隨機存儲晶片 13.2.1磁場寫入方法及原理 13.2.2主要應用場景 13.2.3發展現狀與未來展望 13.3　自旋轉移矩磁隨機存儲晶片 13.3.1　發展歷程 13.3.2　主要應用場景 13.3.3　發展現狀與未來展望 13.4　自旋軌道矩磁隨機存儲晶片 13.4.1　寫入機理 13.4.2　設計難點 13.4.3　工藝挑戰 13.4.4　現狀與展望 13.5　本章小結思考題參考文獻第14章　自旋計算器件與晶片 14.1　存算一體技術 14.1.1　存算一體技術簡介 14.1.2　存算一體技術方案與挑戰 14.1.3　自旋存算一體技術 14.2　自旋類腦器件及晶片 14.2.1　自旋類腦器件 14.2.2　類腦計算模型 14.2.3　類腦計算晶片 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資訊寫入 14.3.3　基於逆自旋霍爾效應的資訊讀取 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