有机自旋电子学器件的界面分析和界面修饰

导读

近日，美国加州大学河滨分校工程师们报告了几项有关“自旋电子”器件的研究新进展，有望帮助我们开启新一代计算和数据存储技术。

背景

今天，让我们还是从自旋电子学说起。正如最近几篇文章中所介绍的，自旋电子器件有望解决现代电子计算机的主要问题：耗费巨大的电力；制造热量，而这些热量又需要更多的能量来冷却。作为对比，自旋电子器件产生很少的热量，使用相对来说非常少的电量。自旋电子计算机在内存中保持数据所需的能量几乎为零。它们也可以瞬间启动，并且具有比当今计算机强大许多倍的潜力。

电子器件依赖于电荷产生二进制0或者1的计算机数据，然而自旋电子器件依赖于电子的另外一个特性：自旋。自旋电子材料通过“上”或者“下”的电子自旋方向（就像条形磁铁的南北极一样）将二进制数据记录于材料中。

（图片来源：参考资料【5】）

目前，开发自旋电子器件的主要障碍之一就是：在自旋电子材料中，生成和检测极度微小的电子自旋信号。

创新

近日，美国加州大学河滨分校工程师们报告了几项有关“自旋电子”器件的研究新进展，将帮助我们通向新一代计算和数据存储技术。

技术

他们开发出检测低成本金属和硅组成的自旋电子元件产生信号的新方法，从而克服了自旋电子学广泛应用的主要障碍。之前，这样的设备主要基于复杂结构开发，这些结构使用稀有且昂贵的金属例如铂。研究团队由机械工程系助理教授 Sandeep Kumar 领导。

在一篇发表于科学杂志《应用物理快报》（Applied Physics Letters）的论文中，Kumar 及其同事们报告了一种在简单的两层三明治般的硅和镍铁导磁合金（Permalloy）中，检测自旋电流的高效技术。所有这三个组件都是廉价和充裕的，这为自旋电子器件的商用奠定了基础。它们也可以在室温下工作。这些层广泛应用于称为“溅射法”（sputtering）的电子制造工艺中。论文的合著者是研究生 Ravindra Bhardwaj 和 Paul Lou。

（图片来源：参考资料【2】）

在实验中，研究人员加热镍铁导磁合金-硅双层三明治的一侧制造出温度梯度，从而在双层中产生一个电压。这个电压是由一种称为“自旋-塞贝克效应”的现象引起的。工程师们发现，因为另外一个称为“逆自旋-霍尔效应”的现象，他们能在双层中检测到生成的“自旋电流”。

（图片来源：加州大学河滨分校）

研究人员表示，他们的研究发现将应用于计算机存储器中的高效磁开关，并且“这些科学突破将促进”此类装置的开发。

在其他两篇科学论文中，研究人员演示了他们将在硅中生成自旋电子材料的关键特性，也称为“反铁磁性”。正如笔者在《存储技术最新突破：采用超高速激光控制磁性切换！》一文中所介绍的，反铁磁性是指：磁矩反平行交错有序排列，但不表现为宏观强的净磁矩，表现为一种磁有序状态。与铁磁性一样，其微小磁矩在磁畴内排列整齐，所不同的是，在这些材料中，反平行排列相互对立。然而，这些“磁矩”是由于原子中的电子自旋引起的，它对于自旋电子学中的材料应用来说非常重要。

在两篇论文中，Kumar 和 Lou 报告了他们在两种类型的硅（N型和P型）中检测到了反铁磁性，这两种类型的硅在晶体管和其他电子组件中使用。N型半导体硅中掺杂了使它具有大量带负电荷电子的物质，而P型硅中掺杂了高浓度的带正电荷的“空穴”。在计算机存储器和其他电子器件中，两种类型硅的结合实现了晶体管等器件的电流开关。

在一篇发表于《磁学和磁性材料》（Magnetism and Magnetic Materials）杂志的论文中，Lou 和 Kumar 报告了他们在N型硅中，检测到了自旋霍尔效应和反铁磁性。他们的实验使用了钯、铁镍合金、氧化锰和N型硅组成的多层薄膜。并且在科学杂志《 physica status solidi》上发表的第二篇论文中，他们报告了P型硅自旋驱动的反铁磁性，以及硅在金属和绝缘体之间的特性转变。这些实验使用了类似于N型硅中使用的薄膜。

价值

更广泛地说，研究人员总结道，“这些研究成果将无处不在的硅，带到了自旋电子学研究的前沿，并且为节能的硅自旋电子学和硅热激发自旋电子学（spin caloritronics）器件奠定了基础。” 研究人员称，这些研究成果为通往商用的自旋电子学器件开辟了一条重要途径，因为硅是廉价的，并可以使用长期应用于电子器件的成熟技术生产。

研究人员在论文中写道：“观察到的新兴反铁磁性行为将为硅自旋电子学奠定基础，并且将改变每个领域，其中包括硅薄膜。这些实验也呈现了使用简单的半导体电子物理，对于磁行为进行潜在的电气控制。观察到的电阻大改变和掺杂相变依赖物，将促进反铁磁性和相变自旋电子学器件开发。”

未来

在更进一步的研究中，Kumar 及其团队正在开发在材料中开关自旋电流的技术，最终目标是创造出自旋晶体管。他们也正在致力于制造出更大、更高电压的自旋电子芯片。Kumar 表示，他们的研究成果将是极低功耗的小型发射器和传感器，以及节能的数据存储和计算机存储器。

关键字

存储技术、磁性、自旋电子学

参考资料

【1】https://ucrtoday.ucr.edu/51305/spintronics

【2】Ravindra G. Bhardwaj, Paul C. Lou, Sandeep Kumar. Spin Seebeck effect and thermal spin galvanic effect in Ni80Fe20/p-Si bilayers. Applied Physics Letters, 2018; 112 (4): 042404 DOI: 10.1063/1.5003008

【3】Paul C. Lou, Sandeep Kumar. Spin-Driven Emergent Antiferromagnetism and Metal-Insulator Transition in Nanoscale p-Si. physica status solidi (b), 2017; 1700545 DOI: 10.1002/pssb.201700545

【4】Paul C. Lou, Sandeep Kumar. Spin-Hall effect and emergent antiferromagnetic phase transition in n-Si. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2018; 452: 129 DOI: 10.1016/j.jmmm.2017.12.045

【5】S. Y. Bodnar et al., Writing and reading antiferromagnetic Mn2Au by Néel spin-orbit torques and large anisotropic magnetoresistance, Nature Communications 9, 24 January 2018, DOI:10.1038/s41467-017-02780-x

电子自旋学 (Spintronics)，也称磁电子学。它利用电子的自旋和磁矩，使固体器件中除电荷输运外，还加入电子的自旋和磁矩。电子自旋是一门新兴的学科和技术。应用于电子自旋学的材料，需要具有较高的电子极化率，以及较长的电子自旋弛豫时间。许多新材料，例如磁性半导体、半金属等，近年来被广泛的研究，以求能有符合自旋电子元件应用所需要的性质。

自旋电子中的自旋随机储存器的应用前景并不局限于传统的计算机存储体系，还能够扩展到其他诸多领域，甚至有望成为通用存储器。在发动机控制模块采用磁随机储存器以保证数据在断电情况下不丢失。鉴于磁性存储具有抗辐射的优势，在A350的飞行控制系统中采用MRAM以防止射线造成数据破坏。

此外，电子自旋在物联网和大数据等新兴应用领域，泛在的传感器终端需要搜集数据，为节省存储功耗，使用非易失性存储器势在必行，基于电子自旋学原理的自旋随机储存器以其相对优良的性能成为热门的候选器件。

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