自旋電子科學與技術

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。

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　自旋芯片的最新發展

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　拓撲絕緣體

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　自旋納米振盪器集成電路設計的復雜性

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　自旋芯片電路設計及模擬

8.1　自旋電子器件建模與驗證

8.1.1　物理模塊

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　工藝文件

8.2.3　版圖驗證文件

8.2.4　標準單元庫

8.3　1 KB磁存儲器電路的設計與模擬驗證

8.3.1　系統架構

8.3.2　核心模塊電路

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　自旋芯片特種設備及工藝

9.1　器件制備工藝概述

9.1.1　巨磁阻器件制備工藝

9.1.2　磁隧道結器件制備工藝

9.2膜堆制備設備及工藝

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 自旋芯片測試及表徵技術

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　布里淵光散射裝置

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　自旋芯片表徵

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 磁傳感芯片及應用

11.1　磁傳感芯片基礎

11.1.1　傳感單元

11.1.2　惠斯通電橋結構

11.1.3　傳感器電路

11.2　磁傳感芯片中的噪聲

11.2.1　噪聲來源

11.2.2　降噪方法

11.3　磁傳感芯片應用

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　硬盤存儲技術的發展

12.1.1　水平磁記錄與垂直磁記錄

12.1.2　硬盤磁頭

12.1.3　大容量存儲面臨的挑戰

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 磁隨機存儲芯片及應用

13.1磁隨機存儲器的發展及現狀

13.2磁場寫入磁隨機存儲芯片

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芯片

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芯片

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 自旋計算器件與芯片

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　自旋類腦器件及芯片

14.2.1　自旋類腦器件

14.2.2　類腦計算模型

14.2.3　類腦計算芯片

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信息寫入

14.3.3　基於逆自旋霍爾效應的信息讀取

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