5.半导体自旋电子学研究

半导体自旋电子学主要包括两个领域:一是半导体磁电子学,它将磁性功能结合进半导体中,如磁性半导体或半导体与磁性材料的复合体这一领域将直接导致半导体器件如光绝缘体磁传感器非挥发性存储的实现另一个领域是半导体量子自旋电子学,它主要是指自旋的量子力学特性在半导体中的应用

半导体磁电子学研究方面,1990年,普渡大学Datta和A.Das提出了自旋极化场效应晶体管(spin-FET)的设计方案与传统的FET相比,自旋FET有很多优点(能使电子自旋翻转,而不是把电子从半导体通道中驱赶出去,这样它所需要的能量就小得多,而且自旋翻转的过程也比驱赶电子的过程快得多),但是至今为止尚无人制造出这样的自旋FET在开发spin-FET过程中,寻找高居里温度的稀磁半导体材料,成为自旋电子器件的关键Spin-FET最大的问题是,如何将一束高度自旋极化电流,从磁性材料有效地注入到半导体中比较常用的有欧姆式自旋注入隧道结自旋注入和热电子自旋注入实验上热电子注入的总效率还很低,有待进一步研究

半导体量子自旋电子学的研究目标是:利用基于电子自旋与核自旋的长自旋相干时间的半导体器件,来完成量子信息处理半导体制造量子计算机有很多优点,它们本身是固态材料,适于大规模集成,维度可由量子限制来控制,并能通过外加场(如光场电场磁场)控制各种性能

目前的研究包括利用量子点单电子自旋态作为量子比特制造量子计算机,或利用同位素核自旋制造量子计算机,或利用量子阱中施主杂质的电子自旋,作为量子比特制造量子计算机应当指出,要获取最终的量子计算结果,需要读出单个的核自旋或电子自旋态目前已尝试了很多方法来实现,例如利用铁磁性材料隧穿势垒制成自旋过滤器,以及用单电子晶体管读出电子波函数的空间分布等

6.自旋电子学研究的其它最新进展

除了上述电子自旋器件的研究之外,近年来自旋相关研究领域,还出现了许多新的自旋相关效应,例如自旋霍尔效应,自旋塞贝克效应等,同时在有机材料反铁磁材料,石墨烯和拓扑绝缘体等新型材料中的自旋输运现象,成为自旋电子学发展中值得关注的新方向

自旋霍尔效应研究:除了在金属和半导体体系中研究自旋的注入操作和探测外,有关自旋流特别是自旋霍尔效应的产生操纵和检测,正成为构筑自旋电子学框架的另一选择自旋霍尔效应(SHE)及其反效应(反自旋霍尔效应,ISHE),提供了一种在非磁材料中操控自旋的手段,从而可能在非磁材料中实现自旋的产生SHE/ISHE可以用在非磁系统中进行自旋注入和自旋探测,这种特性可以用来设计许多自旋功能器件,如光敏自旋器件(偏振光探测器,自旋场效应管,以及通过SHE来控制磁矩动力学等)自旋霍尔效应有可能实际应用于自旋电子学器件热自旋电子学及自旋塞贝克效应相关研究:热自旋电子学(Spin Caloritronics)是最近几年自旋电子学领域兴起的热门方向,其本质是研究热流和自旋流之间的耦合关系这些研究有利于发展绿色信息和通讯技术,发展更节能的器件以及重新利用废弃的热现阶段研究主要集中在观测和理解自旋赛贝克效应(即通过温差产生自旋电流)(Spin Seebeck effect)

有机自旋电子学研究:有机半导体材料具有经济重量轻易于大面积生产分子性质易于调控和器件具有柔韧性等优点有机半导体材料的自旋轨道和超精细相互作用都很弱,导致自旋弛豫时间很长,其自旋输运性质引起了人们的强烈关注,近年来取得了可喜的进展,促进并发展出有机自旋电子学这一新的交叉研究分支这个全新的研究方向,不仅蕴含着许多新的物理现象有待揭示,而且具有重要的应用价值反铁磁材料中自旋效应研究:反铁磁材料也是一种常见磁性材料,其在电子自旋器件中的应用源于自旋阀,其中反铁磁材料作为钉扎层来调控铁磁层的磁矩方向

现有研究表明,反铁磁材料的自旋输运性质可以应用于电子自旋器件,为电子自旋器件的设计提供了新的思路二维电子材料和拓扑绝缘体中的自旋电子学研究:石墨烯和拓扑绝缘体是近年来凝聚态物理研究的热点材料,它们都是二维电子体系,具有相似的狄拉克锥的二维电子能带结构;但是石墨烯和拓扑绝缘体具有非常不同的自旋轨道耦合强度,因此两者应该具有不同的自旋散射机制由于石墨烯和拓扑绝缘体的独特物理性质,研究其中的自旋注入和输运特性,探索利用其进行自旋器件设计,成为目前自旋电子学研究中的一个新兴热点研究方向

三我国研究现状与水平

我国从事自旋电子学研究的主要单位包括复旦大学,中科院物理所半导体所沈阳金属所强磁场中心,清华大学南京大学电子科技大学山东大学等其中在氧化物自旋电子学(复旦大学)二维电子与拓扑绝缘体自旋电子学(清华大学复旦大学)磁电耦合(中科院物理所清华大学)稀磁半导体(中科院半导体所)等研究领域处于国际前列

在磁性传感器方面也有多家公司进行研发但由于与微电子产业的结合不够,在STT-RAM等方面的工作近乎空白发达国家已经在新型电子自旋器件的研发上投入大量资金和资源,但是大多数自旋器件尚处于研发阶段,没有市场化,即使最具希望的磁随机存储器亦如此,还有大量的科学问题有待解决因此如果我们加大对新型自旋器件的研究力度,走自主创新的道路,采用新发现的物理效应,极有可能抓住电子自旋器件发展的后发优势,实现跨越式发展,研究成果将有助于我国在未来信息产业的新一轮竞争中获得自主知识产权

四我国进一步研究重点与对策建议

近20年来,以高密度磁存储和超大规模集成电路为基础的信息产业的飞速发展,将人类带入全球信息化时代同美日等发达国家相比,我国在磁记录和微电子工业上一直处于落后地位,因此在新一轮高科技竞争中,我们必须尽早布局自旋电子学研究,如自旋场效应晶体管自旋发光二极管自旋共振隧穿器件太赫兹频段的光开关以及量子计算机与量子通讯中的量子比特等

我国要在自旋电子学领域实现赶超,急需探索新型自旋材料体系及相应的自旋信息处理架构传统的自旋电子器件涉及多种磁性金属半导体绝缘体的复合,化学界面繁多复杂虽然基于自旋转移力矩效应的自旋磁随机存储器件研究已经有了重要进展,但对界面要求更高的自旋逻辑运算及多比特自旋存储器件方面的进展还十分有限

针对这一自旋电子学领域的瓶颈,我们应开展一个全新的研究方向:关联电子材料自旋电子学,即利用关联电子体系含不同自旋序的多量子态共存的特性及其高度可调控性,通过外场限域调控,实现无化学界面的不同自旋序的空间可控排列,在同一材料中实现非挥发性自旋存储与逻辑运算的集成,从而建立新型的非冯·诺依曼自旋信息处理架构

我们已经错失了前三次产业革命的机遇,现在微电子学领域已经远远落后于发达国家如果我国能够抓住自旋电子学研究所赋予的机遇,就有可能在信息产业的新一轮竞争中取得主动和优势,顺利实现经济的升级换代我们建议集中国内自旋器件研究的优势单位,面向国家信息应用研发的重大需求,开发新型且有直接应用前景的自旋器件,力争使我国的自旋器件研究进入国际一流,在MRAM及存储介质半导体自旋电子器件高频自旋微波器件磁电耦合器件以及自旋传感器应用方面取得实质性的突破,为我国抓住产业革命的发展机遇,实现自主创新和跨越式发展提供强有力的科技支撑同时期待在自旋器件研发中的一些关键的科学问题上获得重大突破,为我国今后在信息材料等高科技领域的发展奠定坚实的基础