自旋電子科學(xué)與技術(shù) 精裝版

第 1 章 自旋電子的起源與發(fā)展歷程 1
1.1　自旋電子的起源　1
1.1.1　電子的發(fā)現(xiàn)　1
1.1.2　電子自旋的發(fā)現(xiàn)　4
1.1.3　磁性與自旋　7
1.2　自旋電子的發(fā)展歷程　10
1.2.1　自旋電子的早期應(yīng)用　11
1.2.2　自旋電子的大規(guī)模應(yīng)用　14
1.2.3　自旋芯片的新近發(fā)展　15
1.3　本章小結(jié)　19
思考題　19
參考文獻　20

第　2 章 巨磁阻效應(yīng)及器件　25
2.1　巨磁阻效應(yīng)原理　26
2.1.1　巨磁阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)　26
2.1.2　巨磁阻效應(yīng)的理論模型　29
2.2　巨磁阻效應(yīng)器件　31
2.2.1　電流在平面內(nèi)型器件　32
2.2.2　電流垂直于平面型器件　35
2.3　本章小結(jié)　39
思考題　39
參考文獻　39

第3　章 隧穿磁阻效應(yīng)及器件　43
3.1　隧穿磁阻效應(yīng)　43
3.1.1　隧穿磁阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)　43
3.1.2　隧穿磁阻效應(yīng)的理論模型　45
3.2　面內(nèi)磁隧道結(jié)器件　46
3.2.1　磁各向異性的機理　47
3.2.2　基于Al-O 勢壘的磁隧道結(jié)　48
3.2.3　基于MgO 勢壘的磁隧道結(jié)　49
3.2.4　面內(nèi)磁隧道結(jié)的基本結(jié)構(gòu)及性能優(yōu)化　54
3.3　垂直磁隧道結(jié)器件　57
3.3.1　垂直磁各向異性的發(fā)展　57
3.3.2　垂直磁隧道結(jié)的基本結(jié)構(gòu)及性能優(yōu)化　60
3.4　本章小結(jié)　65
思考題　66
參考文獻　66

第4　章 自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)及器件　73
4.1　自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)　73
4.1.1　磁動力學(xué)原理及其發(fā)展歷程　73
4.1.2　自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)的原理　76
4.1.3　自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)的實驗驗證　78
4.2　自旋轉(zhuǎn)移矩器件　79
4.2.1　基于面內(nèi)磁各向異性的磁隧道結(jié)　79
4.2.2　基于垂直磁各向異性的磁隧道結(jié)　83
4.2.3　新型自旋轉(zhuǎn)移矩器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化　87
4.3　本章小結(jié)　92
思考題　92
參考文獻　93

第5　章 自旋軌道矩效應(yīng)及器件　99
5.1　自旋軌道矩效應(yīng)　99
5.1.1　自旋軌道耦合　100
5.1.2　自旋霍爾效應(yīng)　101
5.1.3　Rashba-Edelstein 效應(yīng)　102
5.1.4　自旋軌道矩翻轉(zhuǎn)的微觀機理　103
5.1.5　自旋軌道矩與自旋轉(zhuǎn)移矩的協(xié)同效應(yīng)　105
5.2　自旋軌道矩器件的關(guān)鍵材料　106
5.2.1　非磁性重金屬　106
5.2.2　反鐵磁金屬　108
5.2.3　拓?fù)浣^緣體　109
5.3　自旋軌道矩器件　110
5.3.1　面內(nèi)磁各向異性自旋軌道矩器件　110
5.3.2　面內(nèi)雜散場輔助的自旋軌道矩器件　111
5.3.3　交換偏置場輔助的自旋軌道矩器件　112
5.3.4　自旋軌道矩與自旋轉(zhuǎn)移矩協(xié)同器件　114
5.3.5　自旋軌道矩與電壓調(diào)控磁各向異性協(xié)同器件　116
5.4　本章小結(jié)　119
思考題　119
參考文獻　120

第6　章 自旋納米振蕩器　129
6.1　自旋納米振蕩器概述　129
6.1.1　自旋納米振蕩器的工作原理　130
6.1.2　自旋納米振蕩器的基本結(jié)構(gòu)　131
6.1.3　自旋納米振蕩器的振蕩模式　135
6.2　自旋納米振蕩器的關(guān)鍵性能　139
6.2.1　自旋納米振蕩器的基礎(chǔ)性能　139
6.2.2　自旋納米振蕩器的同步特性　142
6.3　基于自旋納米振蕩器的潛在應(yīng)用　144
6.3.1　基于自旋納米振蕩器的類腦計算　144
6.3.2　基于自旋納米振蕩器的其他潛在應(yīng)用　145
6.4　自旋納米振蕩器存在的問題與解決方案　147
6.4.1　自旋納米振蕩器的性能瓶頸　147
6.4.2　自旋納米振蕩器集成電路設(shè)計的復(fù)雜性　148
6.5　本章小結(jié)　149
思考題　150
參考文獻　150

第7　章 斯格明子　155
7.1　斯格明子概述　155
7.1.1　斯格明子的定義與拓?fù)浞€(wěn)定性　155
7.1.2　斯格明子的發(fā)現(xiàn)過程　160
7.1.3　斯格明子的研究意義　160
7.2　斯格明子的研究方法　162
7.2.1　斯格明子的微磁學(xué)仿真計算　162
7.2.2　斯格明子表征的相關(guān)實驗技術(shù)　163
7.3　斯格明子的材料體系　166
7.3.1　手性磁體　166
7.3.2　磁性薄膜　166
7.3.3　二維范德瓦爾斯材料　168
7.4　斯格明子電子學(xué)的物理基礎(chǔ)　168
7.4.1　斯格明子的產(chǎn)生　168
7.4.2　斯格明子的輸運　171
7.4.3　斯格明子的檢測　173
7.5　斯格明子電子器件概念及應(yīng)用　175
7.5.1　基于斯格明子的傳統(tǒng)器件　175
7.5.2　基于斯格明子的新型計算器件　178
7.6　斯格明子電子學(xué)未來的發(fā)展與挑戰(zhàn)　183
7.7　本章小結(jié)　184
思考題　185
參考文獻　185

第8　章 自旋芯片電路設(shè)計及仿真　191
8.1　自旋電子器件建模與驗證　192
8.1.1　物理模型　193
8.1.2　模型構(gòu)架　198
8.1.3　模型仿真驗證　201
8.2　自旋電子器件工藝設(shè)計包　205
8.2.1　器件單元庫　206
8.2.2　工藝文件　206
8.2.3　版圖驗證文件　207
8.2.4　標(biāo)準(zhǔn)單元庫　209
8.3　1 KB 磁存儲器電路的設(shè)計與仿真驗證　210
8.3.1　系統(tǒng)架構(gòu)　210
8.3.2　核心模塊電路　212
8.3.3　功能仿真驗證　218
8.4　本章小結(jié)　219
思考題　220
參考文獻　220

第9　章 自旋芯片特種設(shè)備及工藝　224
9.1　器件制備工藝概述　224
9.1.1　巨磁阻器件的制備工藝　225
9.1.2　磁隧道結(jié)器件的制備工藝　226
9.2　膜堆制備設(shè)備及工藝　228
9.2.1　超高真空磁控濺射設(shè)備及工藝　229
9.2.2　磁場退火設(shè)備及工藝　239
9.3　圖形轉(zhuǎn)移設(shè)備及工藝　241
9.3.1　光刻設(shè)備及工藝　241
9.3.2　刻蝕設(shè)備及工藝　246
9.4　器件片上集成工藝　251
9.4.1　磁隧道結(jié)前處理工藝　253
9.4.2　磁隧道結(jié)后處理工藝　255
9.5　本章小結(jié)　256
思考題　257
參考文獻　257

第　10 章 自旋芯片測試與表征技術(shù)　263
10.1　薄膜基本磁性表征技術(shù)　263
10.1.1　磁強計　263
10.1.2　磁光克爾測量儀　266
10.1.3　鐵磁共振表征技術(shù)　267
10.1.4　時間分辨磁光克爾測量儀　274
10.1.5　磁光克爾顯微成像及磁疇動力學(xué)表征　276
10.1.6　布里淵光散射裝置　283
10.1.7　X 射線磁圓二色　286
10.2　自旋電子器件表征技術(shù)　289
10.2.1　自旋輸運測試　289
10.2.2　磁動態(tài)超快電學(xué)特性表征技術(shù)　296
10.2.3　自旋電子器件中的磁疇動力學(xué)表征　298
10.3　自旋芯片表征　299
10.3.1　晶圓級多維度磁場探針臺　300
10.3.2　電流面內(nèi)隧穿測試儀　301
10.4　本章小結(jié)　303
思考題　303
參考文獻　303

第　11 章 磁傳感芯片及應(yīng)用　311
11.1　磁傳感芯片概述　311
11.1.1　傳感單元　312
11.1.2　惠斯通電橋結(jié)構(gòu)　316
11.1.3　傳感器電路　320
11.2　磁傳感芯片中的噪聲　320
11.2.1　噪聲來源　322
11.2.2　降噪方法　324
11.3　磁傳感芯片應(yīng)用　326
11.3.1　電子羅盤　326
11.3.2　轉(zhuǎn)速檢測　329
11.3.3　電流檢測　331
11.3.4　生物醫(yī)學(xué)檢測　332
11.4　本章小結(jié)　334
思考題　335
參考文獻　335

第　12 章 大容量磁記錄技術(shù)　341
12.1　硬盤存儲技術(shù)的發(fā)展　341
12.1.1　水平磁記錄與垂直磁記錄　341
12.1.2　硬盤磁頭　342
12.1.3　大容量存儲面臨的挑戰(zhàn)　345
12.2　微波輔助磁記錄　346
12.2.1　微波輔助磁翻轉(zhuǎn)效應(yīng)　346
12.2.2　微波輔助磁記錄系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)　349
12.2.3　微波輔助磁記錄系統(tǒng)的設(shè)計及優(yōu)化　350
12.3　熱輔助磁記錄　353
12.3.1　熱輔助磁記錄基本原理　353
12.3.2　熱輔助磁記錄系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)　356
12.3.3　熱輔助磁記錄系統(tǒng)的設(shè)計及優(yōu)化　358
12.4　本章小結(jié)　362
思考題　363
參考文獻　363

第　13 章 磁隨機存儲芯片及應(yīng)用　366
13.1　磁隨機存儲器的發(fā)展及現(xiàn)狀　366
13.2　Toggle-MRAM　369
13.2.1　磁場寫入方法及原理　369
13.2.2　Toggle-MRAM 的主要應(yīng)用場景　370
13.2.3　Toggle-MRAM 的發(fā)展現(xiàn)狀與未來展望　371
13.3　STT-MRAM　371
13.3.1　STT-MRAM 的發(fā)展歷程　371
13.3.2　STT-MRAM 的主要應(yīng)用場景　374
13.3.3　STT-MRAM 的發(fā)展現(xiàn)狀與未來展望　377
13.4　SOT-MRAM　377
13.4.1　SOT-MRAM 的寫入機理　379
13.4.2　SOT-MRAM 的設(shè)計難點　381
13.4.3　SOT-MRAM 的工藝挑戰(zhàn)　384
13.4.4　SOT-MRAM 的現(xiàn)狀與展望　385
13.5　本章小結(jié)　387
思考題　387
參考文獻　388

第　14 章 自旋計算器件與芯片　397
14.1　存算一體　397
14.1.1　存算一體的技術(shù)簡介　397
14.1.2　存算一體的技術(shù)方案與挑戰(zhàn)　399
14.1.3　自旋存算一體　403
14.2　自旋類腦器件及芯片　410
14.2.1　自旋類腦器件　411
14.2.2　類腦計算模型　413
14.2.3　類腦計算芯片　416
14.3　磁旋邏輯器件　417
14.3.1　磁旋邏輯器件的基本結(jié)構(gòu)　418
14.3.2　基于磁電耦合效應(yīng)的信息寫入　418
14.3.3　基于逆自旋霍爾效應(yīng)的信息讀取　422
14.3.4　磁旋邏輯建模和仿真驗證　425
14.3.5　磁旋邏輯器件展望　427
14.4　本章小結(jié)　427
思考題　428
參考文獻　428
中英文術(shù)語對照表　443