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都有为:自旋电子学及其器件产业化

作者:都有为 中国科学院院士  来源:科学中国人  发布时间:2016-5-10

导读:  自旋电子学是与自旋相关的电子学,以往的电子学仅仅利用了电子具有“电荷”这一自由度,制备出电动机、发电机等电器以及从二极管到超大规模集成电路,奠定了人类社会电气化与信息化的基础。如今,可以用自旋极化电流或电场调控固体中的电子自旋取向,在电子学器件中增添了“自旋”自由度,呈现许多新的物理效应,开拓出与自旋相关的新器件。报告简要地介绍自旋电子学的基本概念与其器件产业化的情况。
前言
  
  电子同时具有电荷与自旋二个本征量,电荷为标量,自旋为矢量,以往,二者在不同的领域发挥重要的作用,自旋主要局域于磁性材料领域,对强耦合的自旋体系已成为重要的磁有序材料,其中含铁磁、亚铁磁、反铁磁以及自旋螺旋有序材料,而电荷却活跃在电工、电子等众多领域。溯源上千年,人类已对磁与电有所感性认识,纵观人类社会的发展史,19世纪人类在对电流、磁场及其互作用的科学研究基础上,成功地制造了电动机、发动机、电灯、电话等电器,形成了电工学,从而在美国、欧州首先产生了第二次产业革命,使人类进入到电气化时代,从物理的观点看来,19世纪是人类开始按照科学的规律用电场调控电子电荷流的新纪元,20世纪是人类利用量子力学,能带理论在半导体中调控电荷运动,形成了微电子学的新学科,制造出二极管到超大规模集成电路的IC芯片,从而开创了第三次产业革命,使人类进入到信息化时代。电工学与电子学以及微电子学主要研究电子电荷的输运性质,都未涉及到电子具有自旋的特性,第二次、三次产业革命是以电场调控电荷为主,但在应用中都离不开磁性材料,如在电动机、发电机中离不开硅钢片磁性材料,在计算机中关键部件是芯片与利用磁性材料进行信息存储的硬盘,从这个角度考虑自旋在产业革命中也是直接发挥了重要的作用,只是人们不甚了解它的重要性而已,但自旋在输运过程中确实尚未发挥作用。
  既然电子同时具有电荷与自旋,为什么在电工学与电子学以及微电子学中均不考虑自旋呢?原因是电工学与电子学以及微电子学所研究的对象均为宏观尺度,电子在固体中运动时必然受到晶格的散射,电荷为标量,其特性不变,而自旋是矢量,在散射过程中将会改变其自旋取向,在电子输运过程中,自旋保持其方向不变所经过的平均路程称为自旋扩散长度,超过自旋扩散长度时,自旋将会反向,通常电子在磁性材料中的自旋扩散长度约为10-100nm,在半导体中约为1-10微米,传统电工学与电子学所研究对象的长度,通常远超过自旋扩散长度,因此,自旋在输运过程中将翻转多次,统计平均的结果矢量和为零,将显示不出自旋的存在,因此在传统的电工学与电子学中可忽略电子具有自旋这一特性。然而,当我们研究的对象其尺寸与自旋扩散长度相当或更小时,如在纳米尺度的体系中,自旋的特性将会显示出来。20世纪80年代,法国Albert Fert与德国Peter Grünberg二位科学家所做的工作充分证明了这一点,他们研究了(Fe/Cr/Fe)n纳米多层膜的层间交换耦合作用以及输运性质,发现了巨磁电阻效应,该效应表明自旋取向将会影响电子的输运过程,呈现出电阻的改变,从而开创了磁电子学(magnetoelectronics)的新学科,鉴于其研究的重要的基础意义与巨大的应用领域,这二位科学家获得2007年度的物理学诺贝尔奖,评奖委员会宣称“该效应的发现打开了一扇通向技术新世界的大门,开启了科学研究的新纪元”。自然人们会联想到在半导体器件中除电场调控电荷外,如器件中的电子自旋有序极化时,也可调控自旋,从而可创造出新颖的半导体自旋器件,21世纪初,研究的重点已转移到半导体自旋电子学的新方向,继后,又扩展到有机分子体系,这三者构成自旋电子学(Spintronics)研究的内涵。本文将简略地介绍自旋电子学及其器件产业化情况。
  
一、磁电子学
  
  1988年报道了在(Fe/Cr)n多层膜中发现巨磁电阻效应(GMR)之后,引起了科学界广泛的兴趣与重视,迅速地发展成为一门新兴的学科-磁电子学,磁电子学与传统的电子学或微电子学的主要区别在于传统的电子学是用电场控制载流子电荷的运动,而磁电子学是利用磁场或极化电流控制载流子自旋的运动,巨磁电阻效应的发现为人们获得与控制极化自旋流开拓了现实的可能性。多层膜巨磁电阻效应是源于载流子在输运过程中与自旋相关的散射作用。继多层膜磁电阻效应后,颗粒膜,隧道结磁电阻效应(TMR)以及锰钙钛矿化合物的庞磁电阻效应(CMR)等相继被发现,自旋阀的多层膜结构使产生巨磁电阻效应的饱和磁场大为降低,才促使巨磁电阻效应走向实用。最早报道的(Fe/Cr)n纳米多层膜巨磁电阻效应见图1。
  由图显见,这是纳米结构的多层膜,磁性的Fe层保持3纳米,而非磁性Cr层的厚度从1.8纳米降低到0.9纳米,随着Cr层的厚度的降低,磁电阻效应显著增大。原本科学家研究重点是二铁磁层间如插入非磁性金属层时,铁磁层间是否存在耦合?实验表明:二Fe层间隔一薄层的非磁性Cr层后,二者之间存在铁磁/反铁磁型的振荡型耦合,如图2所示,该耦合作用被认为通过传导电子的RKKY型交换耦合所导致,见图2。
  图2纵坐标为交换耦合常数J,从交换能的公式Eex=-J(Si?Sj)可知,当J为正值时,相邻自旋间呈平行排列能量最低,反之,J为负值时,相邻自旋间呈反平行排列,此外,非磁性层厚度小时交换耦合作用强,随着非磁性层厚度增加,交换耦合作用由正到负呈振荡型的衰减而趋于零。将图1与图2结合在一起考虑,呈现磁电阻效应的非磁性Cr层处于反铁磁耦合厚度时,磁电阻效应就大,如何理解实验结果,通常采用Mott的二流体模型,见图3。
  进入铁磁层的电子可分成自旋朝上(自旋平行于磁化强度M的方向)与自旋朝下(自旋反平行于磁化强度M的方向)二类,这二类电子在磁性层中输运时所受到的散射不一样,自旋平行于磁化强度M方向的电子散射低,电阻低,反之散射就高,电阻高,因此可以将电子通过磁性层的电阻分解为二类电子电阻的并联,如图3. 如多层膜中的磁化方向交替的改变,那么对这二类电子的电阻其值均相同,如将多层膜在膜平面内磁化到饱和,所有的各层磁化方向基本上趋向一致,由于自旋朝上的电子受的散射低,电阻小,因而二者并联的总电阻将会显著下降,从而可理解巨磁电阻效应的物理机制,设想未加磁场时层间呈反铁磁耦合,电阻高,随着磁场增强,磁化趋于饱和,总电阻下降,显示出巨磁电阻效应。因此巨磁电阻效应本质上反映的是与自旋相关的电子输运性质,这点十分重要,因为以前所有的输运性质仅仅关联于电子电荷的运动,而巨磁电阻效应表明:在合适的纳米结构中,调控自旋也可像调控电荷一样影响电子的输运性质,从而开拓出与自旋相关的新颖器件。
  上述的巨磁电阻效应(GMR-Giant magnetoresistance)的基本构型是F/M/F, F指铁磁层,M代表非磁金属层,电子在其中受到体内与界面的散射,如M用非磁性的绝缘体(I)来取代,生成(F/I/F)结构,此时电子只能隧穿绝缘层才能进行输运,将会产生隧道磁电阻效益。
  1975年Julliere首先在Fe/GeO/Co纳米结构中发现隧道磁电阻效应TMR(Tunneling magnetoresisitance),4.2K温度下MR可达14%,这种(F/I/F)型隧道结的隧道磁电阻效应见图4,当夹层膜二边的磁化方向一致时,与磁化方向一致的电子自旋就能隧穿通过,反之,如二边的磁化方向相反,电子就无法通过,相当与自旋极化的滤波器,从能带结构可以理解隧穿效应。虽然Julliere的磁性隧道结磁电阻效应先于GMR效应的发现,但由于室温MR值不高,因此当时未得到充分重视,直到1988年巨磁电阻效应的发现,才促使进一步开展隧道磁电阻效应的研究,1995年Miyazaki等人在(Fe/Al2O3/Fe)结中发现室温MR值可达18%,重新兴起隧道磁电阻效应研究的热潮,理论与实验的研究表明,如绝缘层采用MgO单晶层,可获得甚高的TMR效应,如图4所示,结的TMR室温值可高达500%,5K温度下可达1010%,其灵敏度远高于GMR,目前TMR磁传感器已广泛地应用于读出磁头等高灵敏度的器件中。
  诺贝尔物理学奖的巨磁电阻效应是原创性的成果,开拓了自旋电子学新领域,但事实上是无法直接进入商业化的应用,原因是所需的外磁场太高,需要高于1T的高磁场才能呈现出大的磁电阻效应,因此,其磁场灵敏度低于已实用化的各向异性磁电阻效应(AMR)器件与霍尔效应器件,此外采用分子束外延的工艺生产纳米多层膜也难以投入工业化生产,然后,美国学术界与企业界却十分看好其应用前景,花费了3年左右时间的研发,采用反铁磁交换耦合的自旋阀结构,见图5将产生巨磁电阻效应所需的外磁场降低近一万倍,在0.1mT量级磁场下可获得显著的磁电阻效应,终于成为磁传感器产品进入市场,但诺贝尔奖只奖给原创性的最初成果,在其基础上实用化的进展却无此殊荣。
  在磁电子学的研究历程中,最重要的进展是自旋转移力矩效应(Spin-Transfer Torque)的发现与应用。首先理论上预言自旋力矩的存在,继后又得到实验证实,自旋转移力矩源于载流子自旋与局域电子自旋之间的力矩转递,其宏观理论处理采用Landau-Lifshits-Gilbert方程式后再加上一项自旋力矩项(TS ),称为Landau-Lifshits-Gilbert-Slonczewski 方程:
  dM/dt=γ[Heff×M]+TG+TS
  其中M为磁化强度矢量,第一项代表当自旋与磁场不平行时,自旋将受到一力矩使其围绕着磁场Heff进动,进动频率处于微波频段。在力矩作用下最终自旋将平行于磁场,这意味着存在阻尼,这就是第二项(TG)所代表的,αG为损耗因子,γ为旋磁比。
  TG=-(αGγ/M0)[M×[M×Heff]]
  第三项为自旋转移力矩项.
  TS=+(αSγ/M0)[M×[M×Mp]
  其中:αS为自旋力矩常数
  以往,自旋的翻转或改变方向总是借助于外磁场,根据自旋力矩理论,自旋极化电流也可以改变或翻转局域自旋的取向,利用自旋极化电流来调控自旋是十分有利器件小型化与降低能耗,利用此原理的磁随机存储器称为ST(STT)-MRAM(spin-transfer-magnetic-random-access-memory),目前已成为国际信息存储与处理的主要研发方向之一。
  对自旋动力学的研究是自旋电子学十分重要的方向,已成为“自旋波电子学”新分支。
  广义的磁电阻效应指电阻随磁化状态而变化的现象,目前大致上将磁电阻效应分为:正常磁电阻效应(OMR);各向异性磁电阻效应(AMR);顺行磁电阻效应(PMR);巨磁电阻效应(GMR);隧道磁电阻效应(TMR);庞磁电阻效应(CMR);弹道磁电阻效应(BMR)这几类。磁电阻效应奠定了磁电子学的基础,磁电子学所涉及的主要是与自旋相关的输运性质,或磁输运性质(Magnetotransport),自旋极化是磁输运性质的核心。
  
二、半导体自旋电子学
  
  20世纪最伟大的成就之一是微电子工业的崛起,迄今为止,不论集成电路或超大规模的集成电路中的半导体元器件,仅仅利用了电子具有电荷这一自由度,用电场控制载流子的运动,从而获得特定的功能。在计算机中,核心部件为芯片与硬盘,二者是通过外部的连接而耦合在一起的。长期以来人们梦寐以求磁性与半导体性能在固体内部进行耦合,20世纪60年代科学家就开展过磁性半导体材料的研究,其中包括反铁磁性的氧化物材料,亚铁磁性的铁氧体材料,以及硫族化合物等,发现了磁电阻效应,意味着在固体内部可以存在磁与电的耦合,尽管尚未找到合适的材料,但却为磁性与半导体特性合作现象的研究开拓了新领域。巨磁电阻效应的发现,无疑地为进一步研究磁性半导体注入了一剂强心针,在新形势下科学家换了新的思维,假如在半导体中进行输运的载流子不是自旋无规取向的电子,而是自旋极化的电子,那么可以同时利用电子具有电荷又具有自旋这二个自由度,不仅可以利用电荷,而且可以利用自旋,自旋自由度的添加,将会产生难以估量的新型微电子学器件的诞生,此外,电子在金属中的平均自由程约为10nm量级,但在半导体中电子的平均自由程可增加到10μm量级,十分有利于构建半导体自旋电子学器件,因此如何将自旋极化的电子注入到常规半导体中,就成为解决问题的焦点,现在,采用多层膜,隧道结的方法可产生自旋极化电子流,当然首选的是将金属中的极化电子注入到半导体中,实验的结果并不理想,由于金属与半导体的电阻率相差近6个量级,阻抗不匹配,自旋极化电子难以注入到半导体中,此外,在界面散射将会引起自旋翻转,其效率仅为1%左右,如采用自旋极化率为100%的半金属材料作为自旋注入源,理论上是十分有效的,但目前尚未实现,另一个方法是研制具有自旋极化的磁性半导体,即所谓稀磁半导体DMS(Dilute magnetic semiconductors),这样阻抗匹配问题就迎刃而解,当今半导体工艺十分成热,一旦自旋极化电子能方便地注入到常规半导体中,自旋半导体电子学器件必将迅速发展。 对p型的半导体,掺入5%Mn,考虑通过正穴为中介,RKKY互作用而产生铁磁性交换作用,理论上估算居里温度如图6所示。
  通常稀磁半导体的制备是采用少量3d过渡族元素(Mn,Fe,Ni,CoV,Cr等)掺入到半导体材料中而产生铁磁性,但不过多地影响其半导体特性,有关研究工作甚多,例如:在CdTe,ZnTe,HgTe,CdSe,HgSe,CdS等Ⅱ-Ⅵ族半导体中,s,p电子参与输运过程,如3d过渡族元素掺入其中,由于s,p电子与d电子的互作用,可望获得铁磁性.如Zn1-xCrxTe薄膜,其居里温度可超过室温.Schmidt and Molenkamp通过Zn0.91Be0.06Mn0.03Se稀磁半导体将自旋极化电子注入到GaAs半导体中,构成发光二极管,通过发射光的偏振性的测量,确定自旋注入的效率可达90%,从而论证了稀磁半导体是高效率的自旋极化注入体。
  Ⅲ-Ⅴ族化合物是十分重要的半导体材料,例如:GaAs,InAs,GaN,InN,AlP等,这些半导体材料在光电子器件中已得到广泛的应用,自然人们十分感兴趣研究其稀磁半导体, 已广泛报道的是以Mn掺入获得铁磁性, 如(GaMn)As, (InMn)As等,由于Mn 的离子半径为1.40 ?大于Ga的离子半径(1.22-1.38?),Mn在GaAs中固溶度很低,为了提高固溶度,在制备上常采用低温非平衡生长的分子束工艺. 2003年报道的最高居里温度为160K。
  Ⅲ-族元素的氮化物,与磷化物,如GaN,InN,Gap,AlP等是属于宽禁带的半导体材料,其三元与四元化合物是十分重要的光电子材料,掺入Mn后可生成相应的稀磁半导体.第四族元素,如Ge,Si是微电子工业十分重要的基础半导体材料,它的稀磁半导体当然是更为引人瞩目。
  Mn在Ge,Si中的固溶度都是十分低的,而居里温度通常是正比例于Mn的掺入浓度,为了增加Mn在Ge中的固溶度,可采用非平衡的生长工艺,为了避免Mn的析出降低基片的温度是十分有效的途径.Park等人将MnxGe1-x(100)单晶薄膜生长在Ge与GaAs(001)的基片上,其居里温度随Mn离子浓度的增加而升高,当x=0.006时,Tc为116K.2002年Cho等人成功地提高Mn在Ge中的浓度,x=0.06,居里温度提高到28oK。
  Si是主流微电子工业的基础半导体材料,它的实用意义是不言而喻的,由于Mn在Si中的固溶度甚低,很少有Si的稀磁半导体研究的,F.M.Zhang采用非平衡生长的工艺,成功地制备成SiMn的稀磁半导体, Mn在Si中的浓度估计为x=0.05,居里温度超过400K,由于Si基半导体的制备工艺已达到炉火纯青的阶段,Si基稀磁半导体的研制成功将促进自旋半导体电子学器件向实用化方向发展。
  自旋电子学的发展表明:材料与器件二者很难分开,不同纳米薄膜材料,采用不同的堆砌方式,构成不同的纳米结构,就可以产生不同的性能,构成不同的功能器件,因此在纳米结构器件中,材料与器件是无法分离的,与宏观材料与器件可以分离是有所不同的。此外,基础与应用研究以及产业化生产也应当形成一个有机的整体。
  从物理的观点,在微电子器件的设计中增添自旋这一自由度,器件的性能除调控电荷外尚可调控自旋,今后,必将涌现出难以估量的以自旋为基的新型器件。目前科学家可预见的应用领域罗列如下:
  1.自旋场效应晶体管(FET)
  2.自旋发光二极管(LED)
  3.自旋共振隧穿器件(RTD)
  4.运行在千兆赫频段的光开关
  5.量子计算机与通信用的量子比特
  6.调制器,编码器,解码器等
  半导体自旋电子学:基于在半导体器件中引入极化电子自旋流,调控自旋,执行信息的输运、控制,以及存储与处理等功能。其前途方兴未艾,是自旋电子学的重要的核心部分,目前重点在自旋源的产生与自旋注入的关键技术突破,发展方向为 磁-光-电一体化的新功能器件以及开展半导体量子自旋电子学研究,发展固体量子信息处理器件。
  
三、分子自旋电子学
  
  高分子材料主要是碳氢化合物,原子序数Z低,而自旋-轨道耦合正比例于z4,因此耦合弱,导致自旋弛豫时间长,可大于10μs.比无机材料高一个量级,此外高分子材料价廉,化学柔软性佳,目前已开拓为自旋电子学研究的新领域。首先在La0.67Sr0.33MnO3/T6/La0.67Sr0.33MnO3nm结构中发现室温30%的磁电阻效应,其中,T6(sexithienyl)为有机半导体(aπ-conjugated rigid-rod oligomer),在T6中的自旋扩散长度约为200nm. 继后,采用π–共轭有机半导体(OSEs),Alq3-8-hydroxy-quinoline aluminium,在有机自旋阀中作为磁性层中间的间隔层,构成(LSMO(100nm)/Alq3(130nm)/Co(3.5nm))夹层膜的有机自旋阀构型中发现巨磁电阻效应(OMAR),其构型见图7,其中LSMO-La0.67Sr0.33MnO3,同图显示了其磁电阻效应,在11K温度下磁电阻效应约为40%。
  Alq3在有机光跃迁二极管(OLED)中已广泛应用,在OLED中,大量的电子,空穴处于无跃迁发光的自旋三重态,以致发光效率不高,如采用自旋极化电子注射到有机层中,可改变载流子在单重态与三重态中的比例,通过自旋单重态可产生电子跃迁发光,从理论上分析,可提高发光效率25%. 自旋极化效应除在光电子器件中可望得到应用外,各类有机自旋器件(OSPDs),如磁控的有机场效应晶体管(OFETs),薄膜晶体管,在有机的双极器件中发现高的磁场诱发的电流等。
  此外,拓扑绝缘体,石墨烯、碳纳米管等自旋电子学也是值得关注的研究新领域。
  
四、自旋电子学器件产业化简介
  
  1.磁电阻效应传感器
  巨磁电阻效应为测量微弱磁信号提供了一个新颖的方法,尤其是TMR的应用,可以迅速测定微弱磁信息,早期GMR读出磁头很快地应用于计算机中磁硬盘,继后,TMR读出磁头导致硬盘的记录密度呈百、千倍的增加,使硬盘从被光盘淘汰的边缘中起死回生,重新成为信息储存的主流储存器,其产值大于300亿美元。同样的可用于测量与控制位移与转角,用于数控机床,汽车,家用电器等,广泛地用于军、民工业领域。常用的几类磁传感器性能对比,见表1.
  一些主要磁传感器的产值:
  磁敏传感器:~60亿美元
  信号隔离耦合器~ 35亿美元
  计算机硬盘:>300亿美元,由于NAND等固态存储器的竞争,磁硬盘的产量将有所下降
  MRAMs >1000 亿美元
  利用自旋转移力矩在实验室已研发成功宽频带可调的固体微波振荡器。除利用自旋转移力矩(STT)效应、其他物理场,如:激光场、应力场、热场(温度场)或微波场调控自旋等多种物理场的调控是值得重视的研究内涵,未来自旋电子器件:如自旋晶体管,宽带微波振荡器,量子计算机等将会相继问世。
  2.自旋芯片
  我们已进入到互联网,大数据的时代,必须要有大数据的存储与信息的高速处理,由于量子效应的限域,半导体的芯片的发展面临着摩尔定律的终结,预计2020年我们将告别摩尔定律,如图8所示,那么后摩尔定律时代的计算机芯片将会是什么原理与构型呢?
  当前计算机的芯片采用0.1的二进位的信息储存、运算,0与1在物理上代表二个不同的稳定的状态,如现在的半导体的芯片采用电荷存在与否代表1与0,另一种可能是利用电子自旋,自旋是矢量,从而可利用自旋朝上与朝下二种自旋取向来制备自旋芯片,因此本质上自旋芯片具有非易失性,低能耗,高速度,抗辐射,长寿命等优点。
  20世纪50年代,利用铁氧体小磁环作为存储单元,采用电流重合法制备成原始的电子计算机芯片,继后,用晶体管取代磁芯,构成半导体芯片一直沿用到现在,基本结构没有变化,历史的发展出人意料,芯片又将进入到一个新的轮回,如利用TMR隧道结作为存储单元取代50年代的磁芯,就可制成原始的磁随机存储器芯片(MRAM),它不仅具有半导体存储器件的功能而且还有掉电保护即非易失性的功能,抗高能粒子的辐射性,由于尺寸大,密度低,能耗高难以与半导体芯片相竞争,自从实现极化自旋流调控TMR隧道结的自旋取向后,STT-MRAM走向了应用的阶段,他与传统半导体芯片,DRAM,SRAM,以及FLSH的性能对比如表2。
  由表可见:自旋芯片(各种模式的MRAM的统称)与现有的半导体芯片优缺点对比如下:
  自旋芯片优点:非易失性;抗辐射性;高集成度;高运算速度;低功耗;长寿命。与DRAM相比它具有非易失性;抗辐射性;高运算速度。与Flash相比它具有低功耗;长寿命;存取速度比Flash快千倍。此外,除做内存外,尚可做外存,与硬盘相比,自旋芯片没有机械运动部分,数据处理速度快,能耗低,但储存密度目前尚比硬盘低,
  自旋芯片已经历了三个发展阶段;2006年前利用隧穿磁电阻效应(TMR),采用电流重合法,用电流产生的磁场调控自旋,制成低密度的第一代自旋芯片-MRAM; 2006年后利用自旋极化电流调控自旋,功耗下降,存储密度提高,成为第二代自旋芯片-STT-MRAM;目前研发电场调控自旋,功耗将进一步下降的第三代自旋芯片-MeRAM,可望在近年取得突破,从而进入到商业化的阶段;此后,自旋芯片将与半导体芯片进行市场化的竞争,为了进一步减少尺寸、降低能耗,目前科学家正在研究薄膜中的磁涡旋、磁滴子、磁性斯格明子等具有手性特征的特殊磁结构,预期可以在较低的磁场下进行驱动,从而进一步降低功耗,提高运算速度。
  世界先进国家都将自旋芯片作为高技术的战略制高点加以重视,具有经济与国防双重的重要性。自旋电子学的发展与应用,未来将引发数据存储与处理技术的革命。
  自旋芯片兼具SRAM的高速度、DRAM的高密度和Flash的非易失性等优点,其抗辐射性尤为军方所青睐,原则上可取代各类存储器的应用,成为未来的通用存储器。自旋芯片属于核心高端芯片,是科技关键核心技术,可军民两用,具有高达上千亿美元的巨大市场前景,有可能成为后摩尔时代的主流芯片,这对于提升国家的高科技水平和增强国防安全意义重大,国外不会将高端科技轻易输入中国,国家应予以高度重视和支持。近十年来,国外主要芯片公司制备与应用自旋芯片情况概括如下:2007年,Honeywell开发出1Mbit的非易失性抗辐射MRAM芯片;IBM、TDK合作开展STT-MRAM研究并计划在未来生产高容量MRAM芯片;2008年,日本卫星上全面采用Freescale公司的MRAM产品替代SRAM和Flash存储器;Samsung和Hynix合作研究STT-MRAM;Toshiba公司宣布研制高容量的1Gbit的STT-MRAM芯片的进展,Freescale将MRAM业务拆分出来组建了新公司“Everspin”;Grandis公司获得1500万美元美国政府资助进行STT-MRAM研究;2009年,法国政府宣布投入420万欧元资助研制自旋电子可编程逻辑器件;韩国政府与Hynix 和 Samsung共同投资5000万美元开发STT-MRAM;2010年,日本研究人员开发出一种新的TMR结构在原理上可以使STT-MRAM容量达到10Gbit;Everspin推出了16Mbit MRAM芯片产品;2013年欧洲A350飞机采用自旋芯片控制系统。3013年“Everspin”全球销售副总裁Sewell回答日经记者提问时,宣称2-4年内公司将量产28nm,1Gbit的STT-MRAM 自旋芯片。据可靠消息,台积电和MagIC公司明年拟将128M或512M STT-MRAM嵌入式芯片应用于i-Watch 之中。有望带来民用产品和医疗监护及其互联网等领域上的一次潜在的大规模应用。如待国外进入批量生产,专利全面覆盖时,我们再组织研发与生产,为时已晚唉。
  2012年我国进口半导体芯片约1920亿美元(其中包含了大量的存储器芯片),超过石油进口1200亿美元,如我们当前不重视自旋芯片的研发与产业化,将来必将受制于国外,重走半导体芯片落后的覆辙。出于中国科学工作者的责任心,特恳请国家领导从国家发展战略高度来关注、落实与组织自旋芯片的生产与研发,机不可失,时不再来。
  
结束语
  
  自旋电子学正处于快速的发展时期,方兴未艾。材料是器件的基础,自旋电子学材料源于现有材料,经过纳米组装后,推陈出新,脱胎换骨,使材料与器件成为一体,一跃而成为功能材料中的新葩。
  自旋电子学可定义为:与自旋相关的电子学,以往的电子学仅仅利用了电子具有“电荷”这一自由度,用电场调控电子的运动,从而制备出从二极管到超大规模集成电路,奠定了人类社会信息化的基础。如今,可以用自旋极化电流或磁场等调控固体中的自旋取向,在电子学器件中增添了“自旋”自由度,从物理的观点看来,增加一个新的可调控的自由度,必将呈现许多新的物理效应,从而开拓出难以预计的新器件。自旋不仅在电子学占有一席之地,自旋在催化领域、生物领域以及生命科学等领域中,都已引起了关联与重视,因此,假如将20世纪比拟为“电荷”的世纪,那么21世纪有可能成为“自旋”的世纪,在微电子器件应用中自旋流有可能取代电荷流。电子学自旋的今天与明天,值得关注。自旋电子学已成为本世纪最富有活力的研究领域之一。
  
  
作者简介
  都有为,中国科学院院士,南京大学物理系教授,博士生导师。中国物理学会磁学专业委员会副主任,中国电子学会应用磁学专业委员会委员,中国电子学会会士,中国颗粒学会超微颗粒专业委员会副主任,中国仪表材料学会副理事长等职,曾任南京大学纳米科学技术研究中心主任。国家95攀登计划“纳米材料科学”预选计划“纳米材料科学”首席科学家等职。
  在南京大学组建了纳米磁性科研组,培育了博士生40余人,其中二人分别获2000与2003年度全国优秀博士论文奖。曾任台湾成功大学客座特聘讲座教授,澳门科技大学荣誉教授,浙江大学求是讲座教授等20余所高校的客座教授 。曾任国际磁性材料、物理会议(ISPMM)2005顾问;第一届国际先进磁学材料与应用会议(1stISAMMA)2007常设指导委员会委员等职。长期从事磁学和磁性材料的教学和研究工作,开展了磁性、磁输运性质与材料组成、微结构关系的研究。他与科研组的师生共发表SCI论文800余篇,被SCI论文引用一万余次,国内学术刊物论文200余篇,获国家发明专利24项,编著(含合编)书十本。获国家自然科学二等奖、江苏省科技一等奖各一项,省部级科技进步二等奖4项等,均为第一获奖人。获2007年度何梁-何利科学技术进步奖。
  除基础研究外,他还积极推动科技成果转化,与磁性材料企业界保持良好的关系。
  
  
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