自旋电子学材料与器件

摘要: 自旋电子学是凝聚态领域的一个新型交叉学科，具有广阔的应用前景。它的研究将成为本世纪信息产业的基础，对未来的电子工业发展将起到举足轻重的作用：它不仅利用电荷，而且需利用电子的自旋特性，通过操纵电子自旋来进行信息处理。随着电子器件的尺寸越做越小，自旋在很多方面要比电荷更优越，而了基于巨磁电阻材料和隧穿磁电阻材料等自旋电子学材料的自旋电子学器件，其应用在计算机信息产业中已取得了巨大的成绩，目前，自旋电子学已经发展出磁读头、磁电隔高耦合器、磁随机存储器、微波探测器等器件，并且某些自旋电子学器件有可能取代部分半导体芯片。它将促进我国计算机技术的发展并带来巨大的经济效益。因此，自旋电子学及其器件很有可能成为世界第四次产业革命的导火索，它的研究将是推进计算机技术发展的一场革命。

关键词: 自旋电子学，自旋电子学材料，自旋电子学器件，计算机信息产业

Spintronic Materials and Devices

Abstract: Spintronics is a new interdiscipline in condensed matter field, which has broad application prospects. Its research will become the foundation of the information industry in this century, and will play a decisive role in the development of the future electronic industry: it not only uses the charge, but also uses the spin characteristics of the electron to manipulate the electron spin for information processing. As the size of electronic devices becomes smaller and smaller, spins are superior to charges in many aspects. Spintronic devices based on spintronic materials such as giant magnetoresistance materials and tunneling magnetoresistance materials have made great achievements in their applications in the computer information industry. At present, spintronics has developed devices such as magnetic readers, magnetoelectric barrier couplers, magnetic random access memories, microwave detectors, etc, and some spintronics devices may replace some semiconductor chips.It will promote the development of computer technology in China and bring great economic benefits. Therefore, spintronics and the devices are likely to become the fuse of the fourth industrial revolution in the world. Its research will be a revolution to promote the development of computer technology.

Key words:  Spintronics, Spintronic Materials, Spintronic Devices, Computer Information Industry

1.1 电子产业发展中电子物理属性的应用

电荷与自旋，是电子所具有的两个独立内禀物理属性。电荷属性最先被人类认识并利用：从19世纪开始，人类就已经开始调控电子的电荷属性, 到20世纪后半叶发展出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[1]。随着电子器件的微型化不断接近物理极限, 后摩尔时代的新型电子器件成为研究热点,但其发展遇到两个壁垒: 一是器件功耗增大所带来的热壁垒，二是随着尺寸减小导致的量子壁垒。而自旋电子学作为凝聚态领域的一个新型交叉学科，具有广阔的应用前景。它的研究已经成为凝聚态物理、信息科学及新材料等诸多领域共同关注的研发热点，并将成为本世纪信息产业的基础，对未来的电子工业发展将起到举足轻重的作用。现代信息产业基本元素的半导体器件是以电子（或空穴）的电荷特征来传递信息的，而电子自旋由于随机取向，因而不携带信息。而自旋电子学不仅利用电荷，而且需利用电子的自旋特性，通过操纵电子自旋来进行信息处理。随着微加工技术和大规模集成电路的发展，电子器件的尺寸越做越小，当尺度在纳米范围内，自旋在很多方面要比电荷更优越，如数据处理快、能耗低、集成度高、稳定性好等。而这些特性可以使上述电子器件的微型化带来的热壁垒、量子壁垒问题得到一定程度的解决。因此，自旋电子将会逐步取代微电子而成为工业的主流。

1.2 自旋电子学材料与器件的应用

自旋电子学器件的应用，特别是在计算机信息产业中的应用已取得了巨大的成绩，如利用巨磁电阻（GMR）效应做的磁头应用在计算机硬盘存储上，使记录密度提高了千倍之多[2]，它将促进我国计算机技术的发展并带来巨大的经济效益。同时，磁头可以作为磁场探测器，应用于微型数字罗盘、导航、战场磁信息收集阵列、磁电隔离耦合器件等[3]。图１为GMR读出磁头示意图和磁电阻隔离耦合器件。

图1  (a)GMR读出磁头示意图；(b)磁电隔离耦合器件

此外，利用巨磁电阻效应制备的磁随机存取存储器作为计算机内存芯片将是下一步推进计算机技术发展的一场革命，并有可能取代半导体芯片，这是在信息量爆炸式增长的时代新型电子器件，特别是存储器件发展的大势所趋。

本文通过对自旋电子学材料和器件主要研究进展，包括新型自旋材料、自旋器件的发展成果的学习，论述自旋电子学在未来计算机信息产业里发展的重要性。

二、 新型自旋材料

2.1 分子基自旋材料

从化学角度出发, 通过自下而上设计分子基自旋材料, 有望实现材料的可控制备、自旋电子器件的高集成度, 以及分子尺度上自旋的电场控制等目标。有机半导体在自旋电子器件方面具有无机材料无法比拟的优点, 包括易于制备、价格低廉、绿色环保等。此外, 有机半导体能够实现自旋长距离传输并且可以通过分子合成和替换精细地调控自旋轨道耦合大小。已有研究表明，有机半导体中自旋传输速度比载流子速度快1–2个数量级, 且有机半导体的自旋电子器件相比无机材料器件具有快速响应的优点[4,5]。

由此可见，有机半导体自旋的研究可以为自旋器件的应用提供新的候选材料, 基于有机半导体的自旋轨道矩器件不仅具有电响应，还可以实现光照响应。

2.2 磁性拓扑电子材料

磁性拓扑电子材料展现出拓扑关联系统中电子的电输运行为, 为新物态、多场条件下的量子调控提供了重要基础, 也为自旋电子学带来了新的契机：磁性拓扑材料有望成为研究拓扑自旋电子学、拓扑电路互连、拓扑热电、拓扑催化、高温量子反常霍尔效应等的理想载体。这些新兴材料可能对新一代拓扑电子器件产生变革性升级, 在信息传感、信息传输、逻辑运算、高密度存储、量子计算等方面具有巨大的应用潜力。

而我国率先实现了基于磁性拓扑绝缘体的量子反常霍尔效应, 提出并实现了外尔半金属材料和磁性外尔半金属。该领域接下来的核心问题是基于发现的各种拓扑材料实现更多新奇的拓扑量子效应, 并探索这些效应在自旋电子学中的应用, 推动拓扑自旋电子学的发展[6]。

2.3 二维磁性材料

二维磁性材料因其超薄层厚、表面洁净无悬挂键、可旋转堆垛, 以及独特的电子输运和自旋性质, 成为研究自旋态调控、界面耦合效应和强关联效应的良好载体, 可以为新一代高速、低功耗自旋信息技术提供材料支撑。二维磁性材料在自旋阀器件中取得了快速发展, 如在CrI3自旋阀中观测到了巨大的磁阻效应[7]。

理论和实验表明,二维材料中面内和层间的磁交换作用在层间的堆叠方式、应力、表面原子重构等因素的影响下, 能产生丰富的现象和可调控特性。

2.4 磁性半导体材料

当前磁性半导体的典型获取方法是在已有的半导体材料中(比如TiO2, GaAs, InAs, Si)掺杂磁性离子, 这种方法获得的磁性半导体材料和半导体工艺匹配很好，但是这种掺杂的磁性半导体材料的居里温度一般都不高，远不能满足应用的需求。

如何保持半导体性质的同时提高居里温度和其他磁学性质是近年来人们在新型磁性半导体器件领域、半导体自旋电子学领域发展的重要趋势。

2.5 磁性氧化物材料

以磁性氧化物为代表的关联电子体系中存在自旋、轨道、电荷、晶格等多自由度的关联与耦合, 表现出了丰富的物理现象和复杂的磁电相图，其应用的一个比较突出的前景是利用其磁学性质可以被电场和磁场有效调控的优势。结合已有的如磁性隧道结和自旋轨道矩等自旋器件, 这种材料可以发展出高性能的存储、逻辑等自旋器件。

近年来磁性氧化物材料在与半导体工艺和材料相结合方面取得了一定的进展，但是磁性氧化物材料制备质量还有待进一步提高：这类体系用电场或磁场进行调控的效率都较低, 在实际的器件应用中还有待提高。

3 自旋电子学器件

3.1 GMR、TMR磁头和传感器

通常金属中的磁电阻MR都很小，而在铁磁/非铁磁/铁磁金属多层膜结构中获得的磁电阻比通常金属大的多，因此被称为巨磁电阻（GMR）。由于两边铁磁层中电子的磁化（磁矩）方向，当电子通过与电子平均自由程相当的纳米铁磁薄膜时，自旋磁矩的取向与薄膜磁化方向相一致的电子较易通过，自旋磁矩的取向与薄膜磁化方向不一致的电子难以通过，从而使磁电阻发生很大的变化。

构成GMR磁头和传感器的核心元件是自旋阀。它的基本结构是两边为铁磁层，中间为由非铁磁层构成的多层膜。其中，一边的铁磁层矫顽力大，磁矩固定不变，称为钉扎层，而另一层铁磁层为自由层，如图2所示。

图２ 自旋阀材料的结构示意图

由于钉扎层的磁矩与自由层的磁矩之间的夹角发生变化导致GMR元件的电阻值改变从而使读出电流发生变化。通过降低自由层的厚度，可提高磁头和传感器的灵敏度。采用哪一类自旋阀材料取决于所研制器件的类型与用途。当器件被用作通用磁敏传感器时，要求自旋

阀自由层的磁滞要小，通常用顶钉扎自旋阀材料；当器件用作计算机读头时，由于传感读头两端需要被硬磁偏 置，通常采用底钉扎自旋阀材料。对称自旋阀材料由于自由层的磁滞和橘皮耦合效应较大，通常不作传感器件应用，可应用于逻辑器件[8]。在器件应用中要求GMR自旋阀材料具有较大的铁磁/反铁磁交换耦合强度和较好的热稳定性。上述不同类型的自旋阀材料结构示意图如图3所示。

图３ 不同类型的自旋阀材料结构示意图

GMR自旋阀材料性能好，能满足传感器件的性能需求，但在自旋存储芯片MRAM应用中，由于存储单元小，其电阻过低而在应用中受到限制。目前，MRAM中的器件存储单元多采用了隧穿磁电阻（TMR）材料。TMR材料的结构与GMR自旋阀材料的结构类似，其中一层很薄的绝缘阻挡层（如氧化铝或氧化镁）取代了自旋阀材料中的非磁性导电铜层。

运用GMR元件的磁传感器，检测灵敏度比使用MR元件的器件要高一个数量级，因此更易集成化且可靠性更高。它可以制成传感器阵列，用来表述通行车辆，飞机机翼、建筑防护装置、跟踪地磁场的异常现象等。目前，GMR磁传感器在液压汽缸位置传感，真假纸币识别、轴承编码、电流检测与控制、旋转位置检测、车辆通行情况检测等领域得到应用,在军事上GMR 磁传感器也有更重要的价值。

3.2 自旋轨道矩磁随机存储器(SOT-MRAM)

自旋轨道矩器磁随机存储器(SOT-MRAM)的核心原理是利用自旋轨道矩来控制自旋方向, 进而控制磁性隧道结中自由层的极化方向。用巨磁阻制备的MRAM结构是采用纳米技术，把沉积在基片上的GMR薄膜或TMR薄膜制成图形阵列，形成存储单元，以相对两磁性层的平行磁化状态和反平行磁化状态分别代表信息“0”和“1”,之后用电检测由磁化状态变化产生的电阻值之差进行信息读出；给导体图形加上脉冲电流，使其中的一层铁磁层（自由层）磁化反转，完成信号写入。图4为MRAM的存储单元、芯片和实物图。

图4 MRAM的存储单元、芯片和实物

利用自旋轨道矩的磁性隧道结器件可以实现垂直磁各向异性，此类器件比面内磁各向异性器件更具优势：自旋轨道矩磁随机存储器件具有高稳定性、写入速度快、抗辐射性好、体积小、高集成度和低成本等优点，可广泛用于军事目的和航天航空中，有望成为新一代超高性能非易失存储器, 具有巨大的应用前景。

3.3 半导体自旋电子器件

半导体自旋电子器件是利用磁性半导体、半导体或铁磁半导体复合材料，将磁性引入到半导体中，可研制光学隔离器、磁传感器及非挥发性内存等新的自旋电子器件，而且这些都可以集成到其他半导体器件中。半导体自旋电子学方兴未艾，前程无量：将自旋自由度引入半导体器件中，把自旋和电荷结合起来进行信息的处理和存储，给半导体器件新的工作原理和结构提供了更多的新思路。半导体混合结构的自旋器件是今后的半导体领域的发展方向，因为只有这种混合结构的自旋器件才有放大信号的功能，并且这类器件可以和标准的半导体工艺兼容[9]。

如今，自旋场效应晶体管、自旋发光二极管（如图5所示）、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均已提出。未来，自旋流将可能取代目前半导体元器件中的电荷流，自旋将同时肩负信息的传输、处理与存储。

图5 自旋极化的发光二极管

四、重点发展方向

4.1 自旋轨道矩器件

自旋轨道矩器件中的新型磁、自旋轨道矩材料、自旋轨道矩新机制、新型多功能器件具有高稳定性、高速、高集成度和低成本等优点，需要重视其在设计、大规模集成方法等方面的发展，实现高存储密度和快时间写入的自旋轨道矩信息器件。

4.2 磁斯格明子的操控与器件

磁斯格明子是磁系统中存在的拓扑激发, 由于其磁结构的拓扑性, 斯格明子具有稳定性好、运动速度快、尺寸小等优点, 有望发展出高密度、高稳定度、低功耗和高速的存储器件[10]。由于磁斯格明子的特殊拓扑磁结构, 其在磁场、电场、温度场、光场下表现出非常丰富的物理现象。从应用的角度看, 核心是电流和磁斯格明子之间的相互作用。在电流作用下, 磁斯格明子不但有一个平行于电流方向的纵向速度, 还有一个横向速度, 被称为斯格明子霍尔效应, 即磁斯格明子在电流作用下运动会发生偏转。电流驱动下的磁斯格明子, 受到杂质的钉扎作用, 其运动不能同步, 表现出一定的随机性。因此,要真正实现基于磁斯格明子的实用化器件, 需要深入研究如何有效地控制磁斯格明子的运动方向和减少杂质等对其运动的影响, 特别是如何对单个磁斯格明子进行读、写、运动及擦除的操控[11]。

虽然在磁斯格明子的人工操控方面的研究已经取得了很大的进展, 但是对单个磁斯格明子的精准产生、运动、擦除和探测还有待深入研究。基于磁斯格明子的自旋器件在理论上提出了多种方案, 现在需要把各种功能集成起来实现完整的器件功能。

4.3 新概念器件

传统自旋器件主要是利用铁磁异质结构对电子自旋流进行调控, 进而实现功能性器件。如今新概念自旋器件对传统自旋器件从几个方面做出了拓展: 调控对象从电子自旋流拓展到磁子自旋流或其他准粒子自旋流; 调控材料从铁磁材料拓展到反铁磁或亚铁磁材料; 调控目的从实现自旋存储拓展到自旋逻辑或自旋类脑; 调控体系从纯自旋调控拓展到自旋体系与其他(光、声、热)物理作用的交叉。

新概念自旋器件探索的最终目的是研发出在能耗、速度、功能等方面具备更高效率的信息存储或信息处理器件，突破传统器件在能耗、速度、功能上的受限, 实现具有应用前景的信息处理器件和信息处理新范式：如自旋与光谐振腔耦合体系等[12]。自旋波器件、反铁磁自旋器件、自旋类脑器件在这三方面都具有很广阔的发展前景, 其中自旋波器件可实现低能耗的特点, 反铁磁器件具有速度高的特点, 而自旋类脑器件可在信息处理范式上实现突破。

五、结论

综上所述，研究自旋电子学材料及自旋电子学器件不仅具有重大基础科学研究价值，而且由于其重要的功能特性和新技术应用特性，探索新型自旋电子学功能材料与自旋电子学器件研发，已成为原理型器件研制的重点研究方向。新型的自旋电子学元器件及其构成的系统在自旋电子学领域、工业和信息产业取得的诸多科技成果和应用表明，自旋电子学器件将是推动本世纪信息科学等高科技领域的关键所在，面向下一代信息技术的自旋电子学研究一定能为我国未来信息领域的发展并实现换道超车提供极佳机遇：进入21世纪后, 特别是最近十年, 我国在自旋电子学领域的研究已经逐渐实现与国际先进水平并跑。

开展高性能自旋电子学材料制备、相关物理实验和科学问题探索，推广这些先进的自旋电子学功能材料的应用，进行自旋电子学器件的研制，可以满足国家在科技和经济发展中对磁性功能材料的现实应用之需求以及中长期发规划之储备，对推动工业和信息产业发展、提高国民经济中低能耗－可环保－高效益产业链比例成分、改善国民文化生活质量、保障国防安全和金融安全等具有重要的战略意义。而如今自旋电子学的发展出现与其他学科深度交叉的趋势, 可能正处于革命性突破的前夜, 因此需要针对自旋电子学研究中的核心关键难点问题进行跨学科合作, 协同攻关, 促进我国未来信息时代自旋电子学领域的持续发展。

总之，我们必须重视对自旋电子学的研究，它将促进我国计算机技术的发展并带来巨大的经济效益，并且自旋电子学及自旋电子学器件很有可能成为世界第四次产业革命的导火索。它的研究将是推进计算机技术发展的一场革命。

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