自旋电子学研究的现状与趋势

　　于笑潇1，资剑2，王兵3，陈卓敏2

　　(1.科技部高技术研究发展中心;2.复旦大学;3.西安交通大学)

　　自旋电子学已经发展成一个跨基础科学、工程设计和产业生产的庞大领域，不但具有重大科学价值，还具有巨大的商业应用价值。加大对新型自旋器件的研究力度，走自主创新的道路，推进研究成果产业化，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，取得主动和优势。

　　一、关于自旋电子学

　　1.定义与内涵

　　自旋电子学研究利用电子自旋作为信息载体，通过调控与操纵自旋，实现数据存储、逻辑运算、量子计算等。

　　电荷与自旋是电子的两个内禀属性。19世纪以来，人类开始调控电子的电荷属性，发展了以半导体为基础的微电子学，奠定了第三次产业革命的基础。目前遇到器件功耗增大和制造成本增加的局限，现行模式的微电子工业的发展，也必将受到量子效应限制。进一步利用电子的自旋属性开发新型的电子自旋器件，具有广阔的前景，将成为下一轮信息产业革命的核心技术之一。

　　电子的自旋特性所引起的量子效应，是凝聚态和材料物理中许多奇妙现象的根源。发现并理解新型自旋效应，在自旋器件中利用和放大这些效应，成为当前自旋电子学研究的中心问题。

　　2.研究意义与作用

　　除了人类生活中无处不在的经典磁性材料，自旋对计算机高密度存储的快速发展起到决定性作用。1988年德国和法国科学家率先发现的巨磁阻效应，在10年的时间内就被全面应用于计算机硬盘读写。不仅带来每年上千亿美元的市场，也成为现代前沿科学发现快速转化为实际应用的经典案例。两位巨磁阻效应的发现者因此获得2007年诺贝尔物理奖。

　　巨磁阻效应的发现和应用，仅仅是打开了电子自旋属性应用的第一扇大门。巨磁阻效应之后，陆续发现隧穿磁电阻效应、自旋霍尔效应、自旋转移力矩效应等新型的自旋效应。基于自旋转移力矩效应的自旋磁随机存储器即将产业化，其具有的数据非挥发性的特性将大大降低功耗，可比现在半导体技术节省80%的能耗。自旋电子学是最有希望在5纳米以下技术节点取代传统半导体晶体管的技术。

　　由于自旋流将可能取代目前半导体元器件中的电荷流，同时肩负信息的传输、处理与存储的作用，因此自旋电子学必将对科学与技术，以及国民经济和国防建设起到十分重要的作用。从自旋电子学的基本原理和迅速发展的态势来看，自旋电子技术和自旋量子信息技术很可能引起芯片技术革命性的变革，成为新一代微电子技术。

　　纵观历史发展，人类充分利用了电子的电荷属性，实现了第二次与第三次产业革命;如果进一步利用电子自旋的属性，调控自旋，将成为第四次产业革命的核心技术之一。

　　二、国际研究现状与趋势

　　1.隧穿磁电阻效应(TMR)研究现状及其材料和器件应用

　　自旋器件的应用是基于其中的磁电阻效应，因此探索大的磁电阻效应，一直是自旋电子学发展的中心课题。2001年W. H. Butler等人从理论上预测了Fe/MgO/Fe(001)磁性隧道结将具有高于1000%的巨大隧穿磁电阻。

　　2004年，美国IBM实验室的Parkin等人和日本AIST研究所的Yuasa等人，分别利用磁控溅射沉积和分子束外延两种方法，成功制备出了以单晶MgO(001)为势垒的隧道结材料，室温下TMR能够达到200%，突破了传统非晶Al-O势垒隧道结的磁电阻仅依赖于磁电极自旋极化率的限制。目前，实验上通过优化基于单晶MgO(001)势垒的磁性隧道结制备工艺，室温隧穿磁电阻比值已超过600%。

　　2.庞磁电阻效应(CMR)研究现状及其材料和器件应用

　　1993年，德国西门子公司Helmolt等人在LaBaMnO薄膜中观察到很大的负磁电阻效应。随后，Jin等人在外延的LaCaMnO薄膜中观测到105%~106%量级的磁电阻效应，并将这一巨大的磁电阻效应命名为庞磁电阻效应(CMR)。

　　庞磁电阻效应的研究是当前凝聚态物理、材料物理的热点之一，其研究重点一是异质结的研究，主要包括高温超导体与庞磁电阻材料异质结、铁电材料与庞磁电阻材料的异质结、多铁材料与庞磁电阻材料的异质结、高温超导材料与铁电材料和庞磁电阻材料的复合异质结等;二是利用电场脉冲诱导的可逆电阻变化，研制电阻随机存储器(RRAM);三是利用庞磁电阻材料的半金属特性(Half-metallic)制备磁性元器件，如磁传感器和磁性隧道结;四是纳米尺度下庞磁电阻的演生物性及调控。复旦大学物理学系在该领域处于国际领先地位。

　　3.自旋转移力矩效应(STT)的发现和应用

　　自旋转移力矩(STT)提供了局域信息写入机制，由Berger和Slonczewski在1996年理论预言，随后康奈尔大学的Myers等人在实验中证实。

　　基于STT技术的磁随机存储器(STT-MRAM)成为磁存储界最重要的目标。目前不少公司及风险投资公司专注于开发STT-MRAM，其中包括Fujitsu，Freescale，Everspin，Avalanche Technology，Spin Transfer Technologies，Grandis等。

　　2016年，美国Everspin公司开发出256Mbit的STT-MRAM器件。目前，国际上的STT-MRAM技术工艺可以和DRAM一较高下，这一领域的目标已经转向和静态随机存储器SRAM竞争。

　　STT-MRAM的研发需要纳米加工技术，目前国内只有中科院物理所磁学国家重点实验室能够开展MRAM原理型器件的基础性研究。由于资源匮乏，很难在微电子工厂流水线上制备真正的STT-MRAM器件，技术水平和国际先进水平差距很大。

　　STT技术也被应用到其他自旋器件中，例如自旋逻辑器件、赛道型内存(racetrack memory)中。其中最有前景的是IBM公司Parkin研究组设计的赛道内存。这种存储器具有高密度、高速度、高可靠性、廉价等特点。但这种基于磁畴壁移动的赛道内存的研发还处于起步阶段，最大的问题是如何精密控制畴壁移动。目前国内只有相关的理论研究，实验研究未见报道。但在电流驱动的斯格明子的研究方面，中科院合肥强场中心具有较好的前期工作。

　　4.磁电耦合效应研究

　　STT-MRAM需要比较大的电流，造成非常大的功率损耗。人们寻求利用电压来控制自旋翻转的方法，同时满足局域磁矩翻转和低功耗的要求，这就需要磁场和电场的耦合作用。具有自发磁电耦合的多铁材料的应用前景开始受到关注。

　　目前，对多铁材料的研究取得了一些重要进展，发现了一些具有多铁性的新材料，实现了电场对样品磁矩方向的调控，及磁场对电极化方向的调控。另外，与传统的离子位移而偏离对称中心导致的铁电性的机制不同，人们发现了一些新颖的产生多铁性的机制，如源于磁阻挫系统自旋序的铁电性，和源于电荷有序的电子型铁电性等。

　　多铁性材料可应用于制造新型计算机芯片，将目前利用半导体材料实现的逻辑运算，和由磁性材料实现的存储功能结合起来。最近，Gajek等人利用La0.1Bi0.9MnO3多铁性薄膜作为自旋过滤型隧道结的绝缘层，实现了四个不同的存储态。国内清华大学、南京大学、中科院物理所、硅酸盐所、复旦大学等研究机构，开展了多铁性材料的研究并取得了一定的进展。

　　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。

　　本报告为科技创新战略研究专项项目“重点科技领域发展热点跟踪研究”(编号：ZLY2015072)研究成果之一。

　　本文特约编辑：姜念云