于笑瀟1，資劍2，王兵3，陳卓敏2

　　(1.科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心;2.復(fù)旦大學;3.西安交通大學)

　　自旋電子學已經(jīng)發(fā)展成一個跨基礎(chǔ)科學、工程設(shè)計和產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)的龐大領(lǐng)域，不但具有重大科學價值，還具有巨大的商業(yè)應(yīng)用價值。加大對新型自旋器件的研究力度，走自主創(chuàng)新的道路，推進研究成果產(chǎn)業(yè)化，將有助于我國在未來信息產(chǎn)業(yè)的新一輪競爭中獲得自主知識產(chǎn)權(quán)，取得主動和優(yōu)勢。

　　一、關(guān)于自旋電子學

　　1.定義與內(nèi)涵

　　自旋電子學研究利用電子自旋作為信息載體，通過調(diào)控與操縱自旋，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、邏輯運算、量子計算等。

　　電荷與自旋是電子的兩個內(nèi)稟屬性。19世紀以來，人類開始調(diào)控電子的電荷屬性，發(fā)展了以半導體為基礎(chǔ)的微電子學，奠定了第三次產(chǎn)業(yè)革命的基礎(chǔ)。目前遇到器件功耗增大和制造成本增加的局限，現(xiàn)行模式的微電子工業(yè)的發(fā)展，也必將受到量子效應(yīng)限制。進一步利用電子的自旋屬性開發(fā)新型的電子自旋器件，具有廣闊的前景，將成為下一輪信息產(chǎn)業(yè)革命的核心技術(shù)之一。

　　電子的自旋特性所引起的量子效應(yīng)，是凝聚態(tài)和材料物理中許多奇妙現(xiàn)象的根源。發(fā)現(xiàn)并理解新型自旋效應(yīng)，在自旋器件中利用和放大這些效應(yīng)，成為當前自旋電子學研究的中心問題。

　　2.研究意義與作用

　　除了人類生活中無處不在的經(jīng)典磁性材料，自旋對計算機高密度存儲的快速發(fā)展起到?jīng)Q定性作用。1988年德國和法國科學家率先發(fā)現(xiàn)的巨磁阻效應(yīng)，在10年的時間內(nèi)就被全面應(yīng)用于計算機硬盤讀寫。不僅帶來每年上千億美元的市場，也成為現(xiàn)代前沿科學發(fā)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用的經(jīng)典案例。兩位巨磁阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)者因此獲得2007年諾貝爾物理獎。

　　巨磁阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，僅僅是打開了電子自旋屬性應(yīng)用的第一扇大門。巨磁阻效應(yīng)之后，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)隧穿磁電阻效應(yīng)、自旋霍爾效應(yīng)、自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)等新型的自旋效應(yīng)?；谧孕D(zhuǎn)移力矩效應(yīng)的自旋磁隨機存儲器即將產(chǎn)業(yè)化，其具有的數(shù)據(jù)非揮發(fā)性的特性將大大降低功耗，可比現(xiàn)在半導體技術(shù)節(jié)省80%的能耗。自旋電子學是最有希望在5納米以下技術(shù)節(jié)點取代傳統(tǒng)半導體晶體管的技術(shù)。

　　由于自旋流將可能取代目前半導體元器件中的電荷流，同時肩負信息的傳輸、處理與存儲的作用，因此自旋電子學必將對科學與技術(shù)，以及國民經(jīng)濟和國防建設(shè)起到十分重要的作用。從自旋電子學的基本原理和迅速發(fā)展的態(tài)勢來看，自旋電子技術(shù)和自旋量子信息技術(shù)很可能引起芯片技術(shù)革命性的變革，成為新一代微電子技術(shù)。

　　縱觀歷史發(fā)展，人類充分利用了電子的電荷屬性，實現(xiàn)了第二次與第三次產(chǎn)業(yè)革命;如果進一步利用電子自旋的屬性，調(diào)控自旋，將成為第四次產(chǎn)業(yè)革命的核心技術(shù)之一。

　　二、國際研究現(xiàn)狀與趨勢

　　1.隧穿磁電阻效應(yīng)(TMR)研究現(xiàn)狀及其材料和器件應(yīng)用

　　自旋器件的應(yīng)用是基于其中的磁電阻效應(yīng)，因此探索大的磁電阻效應(yīng)，一直是自旋電子學發(fā)展的中心課題。2001年W. H. Butler等人從理論上預(yù)測了Fe/MgO/Fe(001)磁性隧道結(jié)將具有高于1000%的巨大隧穿磁電阻。

　　2004年，美國IBM實驗室的Parkin等人和日本AIST研究所的Yuasa等人，分別利用磁控濺射沉積和分子束外延兩種方法，成功制備出了以單晶MgO(001)為勢壘的隧道結(jié)材料，室溫下TMR能夠達到200%，突破了傳統(tǒng)非晶Al-O勢壘隧道結(jié)的磁電阻僅依賴于磁電極自旋極化率的限制。目前，實驗上通過優(yōu)化基于單晶MgO(001)勢壘的磁性隧道結(jié)制備工藝，室溫隧穿磁電阻比值已超過600%。

　　2.龐磁電阻效應(yīng)(CMR)研究現(xiàn)狀及其材料和器件應(yīng)用

　　1993年，德國西門子公司Helmolt等人在LaBaMnO薄膜中觀察到很大的負磁電阻效應(yīng)。隨后，Jin等人在外延的LaCaMnO薄膜中觀測到105%~106%量級的磁電阻效應(yīng)，并將這一巨大的磁電阻效應(yīng)命名為龐磁電阻效應(yīng)(CMR)。

　　龐磁電阻效應(yīng)的研究是當前凝聚態(tài)物理、材料物理的熱點之一，其研究重點一是異質(zhì)結(jié)的研究，主要包括高溫超導體與龐磁電阻材料異質(zhì)結(jié)、鐵電材料與龐磁電阻材料的異質(zhì)結(jié)、多鐵材料與龐磁電阻材料的異質(zhì)結(jié)、高溫超導材料與鐵電材料和龐磁電阻材料的復(fù)合異質(zhì)結(jié)等;二是利用電場脈沖誘導的可逆電阻變化，研制電阻隨機存儲器(RRAM);三是利用龐磁電阻材料的半金屬特性(Half-metallic)制備磁性元器件，如磁傳感器和磁性隧道結(jié);四是納米尺度下龐磁電阻的演生物性及調(diào)控。復(fù)旦大學物理學系在該領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先地位。

　　3.自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)(STT)的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用

　　自旋轉(zhuǎn)移力矩(STT)提供了局域信息寫入機制，由Berger和Slonczewski在1996年理論預(yù)言，隨后康奈爾大學的Myers等人在實驗中證實。

　　基于STT技術(shù)的磁隨機存儲器(STT-MRAM)成為磁存儲界最重要的目標。目前不少公司及風險投資公司專注于開發(fā)STT-MRAM，其中包括Fujitsu，F(xiàn)reescale，Everspin，Avalanche Technology，Spin Transfer Technologies，Grandis等。

　　2016年，美國Everspin公司開發(fā)出256Mbit的STT-MRAM器件。目前，國際上的STT-MRAM技術(shù)工藝可以和DRAM一較高下，這一領(lǐng)域的目標已經(jīng)轉(zhuǎn)向和靜態(tài)隨機存儲器SRAM競爭。

　　STT-MRAM的研發(fā)需要納米加工技術(shù)，目前國內(nèi)只有中科院物理所磁學國家重點實驗室能夠開展MRAM原理型器件的基礎(chǔ)性研究。由于資源匱乏，很難在微電子工廠流水線上制備真正的STT-MRAM器件，技術(shù)水平和國際先進水平差距很大。

　　STT技術(shù)也被應(yīng)用到其他自旋器件中，例如自旋邏輯器件、賽道型內(nèi)存(racetrack memory)中。其中最有前景的是IBM公司Parkin研究組設(shè)計的賽道內(nèi)存。這種存儲器具有高密度、高速度、高可靠性、廉價等特點。但這種基于磁疇壁移動的賽道內(nèi)存的研發(fā)還處于起步階段，最大的問題是如何精密控制疇壁移動。目前國內(nèi)只有相關(guān)的理論研究，實驗研究未見報道。但在電流驅(qū)動的斯格明子的研究方面，中科院合肥強場中心具有較好的前期工作。

　　4.磁電耦合效應(yīng)研究

　　STT-MRAM需要比較大的電流，造成非常大的功率損耗。人們尋求利用電壓來控制自旋翻轉(zhuǎn)的方法，同時滿足局域磁矩翻轉(zhuǎn)和低功耗的要求，這就需要磁場和電場的耦合作用。具有自發(fā)磁電耦合的多鐵材料的應(yīng)用前景開始受到關(guān)注。

　　目前，對多鐵材料的研究取得了一些重要進展，發(fā)現(xiàn)了一些具有多鐵性的新材料，實現(xiàn)了電場對樣品磁矩方向的調(diào)控，及磁場對電極化方向的調(diào)控。另外，與傳統(tǒng)的離子位移而偏離對稱中心導致的鐵電性的機制不同，人們發(fā)現(xiàn)了一些新穎的產(chǎn)生多鐵性的機制，如源于磁阻挫系統(tǒng)自旋序的鐵電性，和源于電荷有序的電子型鐵電性等。

　　多鐵性材料可應(yīng)用于制造新型計算機芯片，將目前利用半導體材料實現(xiàn)的邏輯運算，和由磁性材料實現(xiàn)的存儲功能結(jié)合起來。最近，Gajek等人利用La0.1Bi0.9MnO3多鐵性薄膜作為自旋過濾型隧道結(jié)的絕緣層，實現(xiàn)了四個不同的存儲態(tài)。國內(nèi)清華大學、南京大學、中科院物理所、硅酸鹽所、復(fù)旦大學等研究機構(gòu)，開展了多鐵性材料的研究并取得了一定的進展。

　　5.半導體自旋電子學研究

　　半導體自旋電子學主要包括兩個領(lǐng)域：一是半導體磁電子學，它將磁性功能結(jié)合進半導體中，如磁性半導體或半導體與磁性材料的復(fù)合體。這一領(lǐng)域?qū)⒅苯訉е掳雽w器件如光絕緣體、磁傳感器、非揮發(fā)性存儲的實現(xiàn)。另一個領(lǐng)域是半導體量子自旋電子學，它主要是指自旋的量子力學特性在半導體中的應(yīng)用。

　　半導體磁電子學研究方面，1990年，普渡大學Datta和A.Das提出了自旋極化場效應(yīng)晶體管(spin-FET)的設(shè)計方案。與傳統(tǒng)的FET相比，自旋FET有很多優(yōu)點(能使電子自旋翻轉(zhuǎn)，而不是把電子從半導體通道中驅(qū)趕出去，這樣它所需要的能量就小得多，而且自旋翻轉(zhuǎn)的過程也比驅(qū)趕電子的過程快得多)，但是至今為止尚無人制造出這樣的自旋FET。在開發(fā)spin-FET過程中,尋找高居里溫度的稀磁半導體材料，成為自旋電子器件的關(guān)鍵。

　　Spin-FET最大的問題是，如何將一束高度自旋極化電流，從磁性材料有效地注入到半導體中。比較常用的有歐姆式自旋注入、隧道結(jié)自旋注入和熱電子自旋注入。實驗上熱電子注入的總效率還很低，有待進一步研究。

　　半導體量子自旋電子學的研究目標是：利用基于電子自旋與核自旋的長自旋相干時間的半導體器件，來完成量子信息處理。半導體制造量子計算機有很多優(yōu)點，它們本身是固態(tài)材料，適于大規(guī)模集成，維度可由量子限制來控制，并能通過外加場(如光場、電場、磁場)控制各種性能。

　　目前的研究包括利用量子點單電子自旋態(tài)作為量子比特制造量子計算機，或利用同位素核自旋制造量子計算機，或利用量子阱中施主雜質(zhì)的電子自旋，作為量子比特制造量子計算機。應(yīng)當指出，要獲取最終的量子計算結(jié)果，需要讀出單個的核自旋或電子自旋態(tài)。目前已嘗試了很多方法來實現(xiàn)，例如利用鐵磁性材料隧穿勢壘制成自旋過濾器，以及用單電子晶體管讀出電子波函數(shù)的空間分布等。

　　6.自旋電子學研究的其它最新進展

　　除了上述電子自旋器件的研究之外，近年來自旋相關(guān)研究領(lǐng)域，還出現(xiàn)了許多新的自旋相關(guān)效應(yīng)，例如自旋霍爾效應(yīng)，自旋塞貝克效應(yīng)等，同時在有機材料、反鐵磁材料，石墨烯和拓撲絕緣體等新型材料中的自旋輸運現(xiàn)象，成為自旋電子學發(fā)展中值得關(guān)注的新方向。

　　自旋霍爾效應(yīng)研究：除了在金屬和半導體體系中研究自旋的注入、操作和探測外，有關(guān)自旋流特別是自旋霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生、操縱和檢測，正成為構(gòu)筑自旋電子學框架的另一選擇。自旋霍爾效應(yīng)(SHE)及其反效應(yīng)(反自旋霍爾效應(yīng)，ISHE)，提供了一種在非磁材料中操控自旋的手段，從而可能在非磁材料中實現(xiàn)自旋的產(chǎn)生。SHE/ISHE可以用在非磁系統(tǒng)中進行自旋注入和自旋探測，這種特性可以用來設(shè)計許多自旋功能器件，如光敏自旋器件(偏振光探測器，自旋場效應(yīng)管，以及通過SHE來控制磁矩動力學等)。自旋霍爾效應(yīng)有可能實際應(yīng)用于自旋電子學器件。

　　熱自旋電子學及自旋塞貝克效應(yīng)相關(guān)研究：熱自旋電子學(Spin Caloritronics)是最近幾年自旋電子學領(lǐng)域興起的熱門方向，其本質(zhì)是研究熱流和自旋流之間的耦合關(guān)系。這些研究有利于發(fā)展綠色信息和通訊技術(shù)，發(fā)展更節(jié)能的器件以及重新利用廢棄的熱?，F(xiàn)階段研究主要集中在觀測和理解自旋賽貝克效應(yīng)(即通過溫差產(chǎn)生自旋電流)(Spin Seebeck effect)。

　　有機自旋電子學研究：有機半導體材料具有經(jīng)濟、重量輕、易于大面積生產(chǎn)、分子性質(zhì)易于調(diào)控和器件具有柔韌性等優(yōu)點。有機半導體材料的自旋軌道和超精細相互作用都很弱，導致自旋弛豫時間很長，其自旋輸運性質(zhì)引起了人們的強烈關(guān)注，近年來取得了可喜的進展，促進并發(fā)展出有機自旋電子學這一新的交叉研究分支。這個全新的研究方向，不僅蘊含著許多新的物理現(xiàn)象有待揭示，而且具有重要的應(yīng)用價值。

　　反鐵磁材料中自旋效應(yīng)研究：反鐵磁材料也是一種常見磁性材料，其在電子自旋器件中的應(yīng)用源于自旋閥，其中反鐵磁材料作為釘扎層來調(diào)控鐵磁層的磁矩方向?，F(xiàn)有研究表明，反鐵磁材料的自旋輸運性質(zhì)可以應(yīng)用于電子自旋器件，為電子自旋器件的設(shè)計提供了新的思路。

　　二維電子材料和拓撲絕緣體中的自旋電子學研究：石墨烯和拓撲絕緣體是近年來凝聚態(tài)物理研究的熱點材料，它們都是二維電子體系，具有相似的狄拉克錐的二維電子能帶結(jié)構(gòu);但是石墨烯和拓撲絕緣體具有非常不同的自旋軌道耦合強度，因此兩者應(yīng)該具有不同的自旋散射機制。由于石墨烯和拓撲絕緣體的獨特物理性質(zhì)，研究其中的自旋注入和輸運特性，探索利用其進行自旋器件設(shè)計，成為目前自旋電子學研究中的一個新興熱點研究方向。

　　三、我國研究現(xiàn)狀與水平

　　我國從事自旋電子學研究的主要單位包括復(fù)旦大學，中科院物理所、半導體所、沈陽金屬所、強磁場中心，清華大學、南京大學、電子科技大學、山東大學等。

　　其中在氧化物自旋電子學(復(fù)旦大學)、二維電子與拓撲絕緣體自旋電子學(清華大學、復(fù)旦大學)、磁電耦合(中科院物理所、清華大學)、稀磁半導體(中科院半導體所)等研究領(lǐng)域處于國際前列。

　　在磁性傳感器方面也有多家公司進行研發(fā)。但由于與微電子產(chǎn)業(yè)的結(jié)合不夠，在STT-RAM等方面的工作近乎空白。

　　發(fā)達國家已經(jīng)在新型電子自旋器件的研發(fā)上投入大量資金和資源，但是大多數(shù)自旋器件尚處于研發(fā)階段，沒有市場化，即使最具希望的磁隨機存儲器亦如此，還有大量的科學問題有待解決。

　　因此如果我們加大對新型自旋器件的研究力度，走自主創(chuàng)新的道路，采用新發(fā)現(xiàn)的物理效應(yīng)，極有可能抓住電子自旋器件發(fā)展的后發(fā)優(yōu)勢，實現(xiàn)跨越式發(fā)展，研究成果將有助于我國在未來信息產(chǎn)業(yè)的新一輪競爭中獲得自主知識產(chǎn)權(quán)。

　　四、我國進一步研究重點與對策建議

　　近20年來，以高密度磁存儲和超大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)的信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，將人類帶入全球信息化時代。同美、日等發(fā)達國家相比，我國在磁記錄和微電子工業(yè)上一直處于落后地位，因此在新一輪高科技競爭中，我們必須盡早布局自旋電子學研究，如自旋場效應(yīng)晶體管、自旋發(fā)光二極管、自旋共振隧穿器件、太赫茲頻段的光開關(guān)以及量子計算機與量子通訊中的量子比特等。

　　我國要在自旋電子學領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)趕超，急需探索新型自旋材料體系及相應(yīng)的自旋信息處理架構(gòu)。傳統(tǒng)的自旋電子器件涉及多種磁性金屬、半導體、絕緣體的復(fù)合，化學界面繁多復(fù)雜。雖然基于自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)的自旋磁隨機存儲器件研究已經(jīng)有了重要進展，但對界面要求更高的自旋邏輯運算及多比特自旋存儲器件方面的進展還十分有限。

　　針對這一自旋電子學領(lǐng)域的瓶頸，我們應(yīng)開展一個全新的研究方向：關(guān)聯(lián)電子材料自旋電子學，即利用關(guān)聯(lián)電子體系含不同自旋序的多量子態(tài)共存的特性及其高度可調(diào)控性，通過外場限域調(diào)控，實現(xiàn)無化學界面的不同自旋序的空間可控排列,在同一材料中實現(xiàn)非揮發(fā)性自旋存儲與邏輯運算的集成，從而建立新型的非馮·諾依曼自旋信息處理架構(gòu)。

　　我們已經(jīng)錯失了前三次產(chǎn)業(yè)革命的機遇，現(xiàn)在微電子學領(lǐng)域已經(jīng)遠遠落后于發(fā)達國家。如果我國能夠抓住自旋電子學研究所賦予的機遇，就有可能在信息產(chǎn)業(yè)的新一輪競爭中取得主動和優(yōu)勢，順利實現(xiàn)經(jīng)濟的升級換代。

　　我們建議集中國內(nèi)自旋器件研究的優(yōu)勢單位，面向國家信息應(yīng)用研發(fā)的重大需求，開發(fā)新型且有直接應(yīng)用前景的自旋器件，力爭使我國的自旋器件研究進入國際一流，在MRAM及存儲介質(zhì)、半導體自旋電子器件、高頻自旋微波器件、磁電耦合器件以及自旋傳感器應(yīng)用方面取得實質(zhì)性的突破，為我國抓住產(chǎn)業(yè)革命的發(fā)展機遇，實現(xiàn)自主創(chuàng)新和跨越式發(fā)展提供強有力的科技支撐。同時期待在自旋器件研發(fā)中的一些關(guān)鍵的科學問題上獲得重大突破，為我國今后在信息、材料等高科技領(lǐng)域的發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。

　　本報告為科技創(chuàng)新戰(zhàn)略研究專項項目“重點科技領(lǐng)域發(fā)展熱點跟蹤研究”(編號：ZLY2015072)研究成果之一。

　　本文特約編輯：姜念云