自旋电子科学与技术

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年的增长超过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，力求前瞻性和系统性，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及发展历程、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、自旋芯片测试及表征技术、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。
本书可作为高等学校自旋电子学相关专业的研究生和本科生教材，也可作为自旋电子学相关领域的科研工作者的重要参考资料。

赵巍胜
2007年获法国南巴黎大学物理学博士，2009年获法国国家科学院研究员与法国南巴黎大学客座教授，博士生导师，负责法国科学院基础电子研究所的自旋电子器件设计及建模团队， 2013年入职北京航空航天大学，10月组建自旋电子交叉学科研究中心，2014年与诺贝尔奖得主费尔教授共同组建费尔北京研究院并担任院长。空天信自旋电子重点实验室主任（2019年起），北航集成电路科学与工程学院院长，第九届北航校学术委员会委员。IEEE Fellow，担任IEEE电路与系统旗舰期刊IEEE Transactions on Circuits and Systems-I 总主编（2020年起），2021年起担任IEEE Fellow Selection Committee委员。2019年获中国电子学会优 秀科技工作者，2019年中国电子学会自然科学二等奖。

适读人群 ：自旋电子学相关领域的研究人员、工程技术人员、研究生和高年级本科生等。
·围绕集成电路科学与工程一级学科建设，结合当前产业和技术需求组织内容；
·追踪全球研究前沿，介绍新的自旋电子学知识体系；
·紧密结合产业实践，融入作者团队前沿实验室的新产业化成果

第 1章 自旋电子的起源及发展历程
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 自旋芯片的最新发展
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 自旋阀器件
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 面内磁各向异性磁隧道结器件
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 面内磁各向异性磁隧道结基本结构及性能优化
3．3 垂直磁各向异性磁隧道结器件
3．3．1 垂直磁各向异性的发展
3．3．2 垂直磁各向异性磁隧道结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
4．1．2 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 反铁磁性金属
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 自旋纳米振荡器的基本知识
6．1．1 自旋纳米振荡器的物理机理
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 自旋纳米振荡器的工作原理
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
6．2．1 基于自旋纳米振荡器的类脑计算
6．2．2 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 斯格明子背景介绍
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 物理模块
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
8．3 1 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 巨磁阻器件制备工艺
9．1．2 磁隧道结器件制备工艺
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 自旋芯片测试及表征技术
10．1 磁性表征
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射线磁圆二色谱
10．2 自旋电子学表征技术
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 磁传感芯片基础
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 磁记录系统的结构
12．2．3 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 磁记录系统的结构
12．3．3 磁记录系统的设计与优化
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磁场写入磁随机存储芯片
13．2．1磁场写入方法及原理
13．2．2主要应用场景
13．2．3发展现状与未来展望
13．3 自旋转移矩磁随机存储芯片
13．3．1 发展历程
13．3．2 主要应用场景
13．3．3 发展现状与未来展望
13．4 自旋轨道矩磁随机存储芯片
13．4．1 写入机理
13．4．2 设计难点
13．4．3 工艺挑战
13．4．4 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 存算一体技术
14．1．1 存算一体技术简介
14．1．2 存算一体技术方案与挑战
14．1．3 自旋存算一体技术
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