石墨烯與二維材料使電子器件超越「摩爾定律」!

2020-12-06 環球創新智慧

導讀

據英國曼徹斯特大學官網近日報導，該校與來自荷蘭、新加坡、西班牙、瑞士、美國的研究人員發表了一篇新綜述，概述了計算機設備開發領域的新動向，指出基於石墨烯和二維材料的自旋電子學技術，將成為新一代電子產品的基礎。

背景

在石墨烯以及相關二維材料中電子自旋輸運的研究中，近期的理論和實驗進展以及現象，已經成為一個引人入勝的研發領域。

（圖片來源：Talieh Ghiasi / Van Wees Lab / 格羅寧根大學）

自旋電子學，是電子學與磁學在納米尺度的結合，並有望通向新一代高速電子器件。對於超越摩爾定律的納米電子器件來說，自旋電子器件是一種可行的選擇。與依賴電流的傳統電子器件相比，它將提供更高的能量效率以及更低的損耗。原則上，我們可以讓手機和平板電腦使用基於自旋的電晶體和存儲器。

（圖片來源：Sumio Ishihara）

創新

近日，英國曼徹斯特大學與來自荷蘭、新加坡、西班牙、瑞士、美國的研究人員在美國物理學會出版的《現代物理學評論（Review of Modern Physics）》上發表了一篇論文，研究人員在論文中提出了關於由異質結構及其演生現象的新觀點，這些現象包括近鄰近實現的自旋軌道效應、自旋與光的耦合、電氣可調諧性以及二維磁性。

如下圖所示，二維範德瓦爾斯異質結構中新興的自旋電子現象。鑑於石墨烯的自旋鬆弛長度較長，它可作為理想的自旋輸運通道。在通道中心，兩個磁觸點用於電氣注入或者檢測自旋電流。通過使用石墨烯和過渡金屬二滷化物的異質結構來避免對磁性接觸的需求，這些異質結構可實現直接光學自旋注入（左上）和直接的電荷自旋轉換（右下）。

（圖片來源：曼徹斯特大學）

技術

許多人已經在筆記本電腦和個人電腦中遇到過自旋電子學，這些電腦以硬碟驅動器讀磁頭中的磁性傳感器的形式使用了自旋電子學。這些傳感器也用於汽車工業。

自旋電子學是開發電子產品的一個新方法。在這些電子器件中，存儲器件（RAM）與邏輯器件（電晶體）均通過「自旋」實現，自旋是電子的基本特性，使其表現得既像微型磁體又像電子電荷。

曼徹斯特大學凝聚態物理系講師 Ivan Vera Marun 博士表示：「石墨烯自旋電子學領域的不斷進步，以及更廣泛的二維異質結構，導致了使用之前無法通過石墨烯單獨實現的效果，高效地創建、傳輸以及檢測自旋信息。」

「隨著繼續在基礎和技術方面付出努力，我們相信彈道自旋輸運將在二維異質結構中實現，甚至是在室溫下。這種輸運使得電子波函數的量子力學特性得到實際運用，使二維材料中的自旋服務於未來量子計算方案。」

石墨烯及其他二維材料中可控的自旋輸運，越來越有望應用到各種器件中。令人特別感興趣的是定製的異質結構，也稱為「範德華異質結構」，它由二維材料以精確控制的順序堆疊而成。這篇綜述描述了石墨烯電子學這一開發領域的概況，並概述了實驗和理論的最新進展。

數十億的自旋電子器件，例如傳感器和存儲器，已經被製造出來。每個硬碟驅動器都有一個使用自旋流的磁性傳感器，而且磁性隨機存儲器（MRAM）晶片變得越來越受歡迎。

存儲密度達128Mb的自旋轉移矩-磁性隨機存儲器（STT-MRAM），寫入速度達14納秒。（圖片來源：日本東北大學）

過去十年，石墨烯自旋電子學領域取得了令人振奮的成果，逐漸演變成範圍擴大至新型二維化合物的新一代研究。

自從2014年被分離出來，石墨烯為其他二維材料打開了大門。然後，研究人員可以使用這些材料創造堆疊的二維材料，也稱為「異質結構」。這些材料可以與石墨烯結合，以創造出新的「人造材料」，來實現最初僅限於科幻小說的應用。

石墨烯結構示意圖（圖片來源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）

這篇論文作者之一的 Francisco Guinea 教授表示：「在自旋電子學領域，材料中自旋的特性與操控，揭示了固體行為的許多新方面。自旋載流子運動基本性質的研究，是凝聚態物理學中最活躍的領域之一。」

「在2004年拓撲絕緣體的概念被提出之後，全世界都在集中研究識別與表徵具有非凡拓撲電磁學特性的新型量子材料。自旋電子學是此類探索的核心。由於二維材料的純潔性、強度和簡單性，它們是尋找這些與量子物理學、電子學以及磁學相關的獨特拓撲特徵的最佳平臺。」

總的來說，石墨烯以及相關二維材料中的自旋電子學領域目前正在朝著實用的石墨烯自旋電子器件發展，例如在太空通信、高速無線電鏈路、車載雷達、晶片間通信等領域中應用的耦合納米振蕩器。

關鍵詞

自旋、拓撲絕緣體、石墨烯、二維材料

參考資料【1】A. Avsar, H. Ochoa, F. Guinea, B. zyilmaz, B.J. van Wees, I.J. Vera-Marun. Colloquium: Spintronics in graphene and other two-dimensional materials. Reviews of Modern Physics, 2020; 92 (2) DOI: 10.1103/RevModPhys.92.021003

相關焦點

  • 摩爾定律難以為繼? 新型二維材料續寫摩爾定律對電晶體預言
    摩爾定律難以為繼？但北京大學物理學院研究員呂勁團隊與楊金波、方哲宇團隊最新研究表明，新型二維材料或將續寫摩爾定律對電晶體的預言。他們在預測出「具有蜂窩狀原子排布的碳原子摻雜氮化硼(BNC)雜化材料是一種全新二維材料」後，這次發表在《納米通訊》上的研究，通過實驗證實了這類材料存在能谷極化現象，並具有從紫外拓展到可見光、近紅外以及遠紅外波段的可調能隙功能。
  • 超越「摩爾定律」的新一代材料
    二維材料因原子尺度的厚度和獨特的理化性能，能用於製備超薄、超小、超低功耗的高性能光電功能器件。2004年，曼切斯特大學Geim課題組利用膠帶成功剝離出單原子層石墨材料——石墨烯，Geim以及他的合作者因此獲得了2010年的諾貝爾物理學獎。
  • 二維材料,能否續寫摩爾定律「傳奇」?| 周末特別策劃
    摩爾定律不靈了。這個定律說，當價格不變時，晶片上可容納的電晶體數目，每隔18-24個月就會翻倍，性能也隨之翻倍。過去半個世紀，它一直是對的。但隨著晶片進入納米尺度，晶片上電晶體數量開始挑戰極限。比如，上個月英特爾公布的10納米級晶片，每平方毫米就有超1億個電晶體。繼續「噌噌」翻倍或許仍有希望，但難度在陡增。
  • 超越摩爾定律 中國臺灣研究團隊獲重大突破
    中國臺灣是半導體產業重鎮，即便連臺積電，都致力於尋找超越摩爾定律的先進位程，而臺灣物理團隊搶先一步，成功研發出超越摩爾定律的二維單原子層二極體，並在自然通訊雜誌上發表成果。臺灣地區「科技部」今天舉辦研究成果發表記者會，在「科技部」、成功大學與臺灣同步輻射研究中心的支持下，成大物理系教授吳忠霖與同步輻射研究中心博士陳家浩組成的研究團隊成功研發出二維單原子層二極體，更加輕薄、效率更高，可以超越摩爾定律，並進行後矽時代電子元件的開發，也因此，這項研究成果登上「自然通訊（Nature Communications）」雜誌。
  • 【聚 焦】尺寸薄、表面光滑、可調能隙神秘的新型二維材料能否再次延續摩爾定律?
    北京大學物理學院凝聚態與材料物理研究所和人工微結構與介觀物理實驗室博士生導師，量子物質科學協同創新中心研究員呂勁　　「計算機的迅猛發展使得計算凝聚態物理和計算材料學成為繼理論和實驗研究後又一研究手段，並日益彰顯出重要性。」
  • 打破摩爾定律物理極限,石墨烯自旋電子學引領次世代電子組件發展
    對於石墨烯和相關二維（2D）材料中電子自旋傳輸（Electronic Spin Transport）的最新理論、實驗進展與研究現象，已經成為當前最引人入勝的熱門研發領域。自旋電子學是納米級電子學與磁學的結合，可以使電子以突破摩爾定律（Moore’s law）物理極限的速度發展。所謂摩爾定律是指，計算機處理性能約每兩年倍增，同時價格減半。
  • 二維材料 材料界的一場新革命
    而他自己給出的答案是：二維材料。　已知的二維材料有成百上千種2004年，憑藉粘在膠帶上的石墨殘片，安德烈·海姆和他的博士後康斯坦丁·諾沃索洛夫分離出如今知名度最高的二維材料——石墨烯，並因此獲得2010年諾貝爾獎。石墨是三維的，而石墨烯僅由一層碳原子構成，因此就成了二維材料。
  • 二維金量子點:有望應用於量子計算和新一代電子器件!
    石墨烯，是由碳原子組成六角形呈蜂巢狀結構的二維碳納米材料。（圖片來源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）石墨烯，憑藉導電導熱性好、機械強度高、超薄透明、柔性可彎曲等優勢，一度被譽為「新材料之王」。然而，石墨烯的發現也激起了人們對二維材料的研究熱情。
  • 完全電子化的二維自旋電晶體:有望取代傳統電子器件
    導讀據荷蘭格羅寧根大學官網近日報導，該校物理學家們構造出一款二維自旋電晶體。背景時下，電子器件基本上都是基於電子的電荷特性。它是創造低功耗電子器件的一種頗具吸引力的替代方案。自旋電子器件具有體積小、速度快、功耗小等優勢。在後摩爾時代，自旋電子器件有望成為基於電荷與電流的傳統半導體器件的替代品。基於磁振子的自旋電晶體（圖片來源：L.
  • 3個原子厚度晶片原型誕生,二硫化鉬將重新推動摩爾定律
    二硫化鉬，這個超薄金屬、硫化物，擁有令人驚嘆的電子特性，或將成為石墨烯有力的挑戰者。kbvednc在摩爾定律在使用矽遇到無法逾越的障礙時，科學家們希望能通過二維材料，如石墨烯或二硫化鉬等來幫助摩爾定律繼續快速發展。
  • 後摩爾定律時代的計算技術之探討
    摩爾預測得到持續驗證的時間比他預計的長了40年。但是登納德按比例縮小定律在2004年失效，導致CMOS（互補金屬氧化物半導體）邏輯系統出現功耗-頻率危機，也對傳統按比例縮小尺寸的技術路徑在2020年代中期應用的前景造成了更加根本的挑戰。在那之後的十年內，隨著二維光刻技術能力達到原子尺度，摩爾描述的神奇的增長進程將走到盡頭。
  • 這種材料或將拯救摩爾定律
    這種材料或將拯救摩爾定律 日期： 2020-10-13 來源：半導體行業觀察摩爾定律是一項經驗建議，它表明，集成電路（IC）中的電晶體數量每隔幾年就會翻一番。但是，由於電晶體越來越小，以至於當前的基於矽的技術無法提供進一步縮小電晶體的機會，因此摩爾定律已開始失效。為了延續摩爾定律，其中一種可能性是求助於二維半導體。
  • 面向生物電子學的非石墨烯二維材料：從基礎性質到器件應用
    在過去十餘年間，具有原子層級厚度、高比表面積、柔性的二維材料的出現推動了生物電子器件的快速發展。與零帶隙的石墨烯相比，非石墨烯二維材料如過渡金屬硫族化合物(TMDCs)、黑磷(BP)和MXene具有更為豐富物理化學性質和多樣化的能帶結構，因而成為生物電子學領域的研究熱點。
  • 分析量子態，尋找矽的替代者來衝破摩爾定律
    加州大學伯克利分校伯克利實驗室的科學家們發現一些物質可能有助於在與摩爾定律賽跑中找到矽的替代者。在尋找性能優於矽的新材料的過程中，科學家們一直希望利用這種被稱為氧化物異質結構（oxide異質結構）的2D器件不尋常的電子特性，這種結構由含氧材料的原子薄層組成。
  • 綜述:基於二維材料光電子學信息功能器件的新發展
    近日，電子科技大學姚佰承教授和深圳大學張晗教授團隊合作，在Advanced Science發表文章，綜述了基於二維材料光電子學信息功能器件的新發展。該文章圍繞材料種類和光電子器件類型進行了深入討論，總結了石墨烯、過渡金屬硫化物、黑磷、MXenes、範德華異質結等主流二維材料的光電子特性，進而分類介紹了基於二維新材料的雷射器、調製器、光電探測器、信號發生器、傳感器等光電信息新器件。內容涵蓋了二維材料光電響應新機制、材料與光學結構新結合、以及多樣化信息器件新功能，並展望了未來微納器件的發展方向。
  • 超材料或將延續摩爾定律?
    半導體行業的發展使得傳統意義上的摩爾定律受到了不同程度的質疑，甚至有聲音說：「摩爾定律要失效了！」因此，如何延續摩爾定律成了當今半導體行業熱議的話題。日前，中國工程院院士、清華大學材料學院教授周濟在接受《中國電子報》記者專訪時表示，超材料有可能從工藝和原理兩方面延續摩爾定律，為信息技術的進一步發展提供新的技術路線。
  • 晶片革命:二維材料顛覆傳統計算架構
    在這一背景下，如何將已經有50多年歷史的摩爾定律繼續延續下去，已經成為了學術界和產業界共同面臨的一大挑戰。在這篇綜述中，作者縱覽了二維材料在晶片計算方面所帶來的性能提高和器件創新，包括存內計算中功耗的降低，計算精度和仿生特性的提高，以及電晶體技術在邏輯計算中展現出的尺寸減小優勢和高面積效率集成潛能。自從石墨烯被發現以來，各種其他的二維材料，尤其是過渡金屬二硫化物（TMDs）已經成為了研究的熱點。
  • 為摩爾定律續命? 自旋電子技術暫難當大任
    該定律指出，集成電路上可容納的元器件數目每18個月約翻1倍。　　在過去的半個多世紀裡，摩爾定律為半導體工業的發展節奏設定了基本步調。自摩爾定律提出以來，不論是從單個晶片電晶體數目角度，還是從微處理器晶片、半導體存儲器以及系統軟體角度來考察，摩爾定律的預言與現實都驚人地吻合。可晶片上電晶體的尺寸不可能無限制地縮小下去，晶片單位面積上可集成的元器件數目會達到極限。
  • 傳統電子學中的量子態可能超越摩爾定律
    芝加哥大學普利茲克分子工程學院的科學家發現了一種在普通的日常電子產品中產生量子態的方法。通過利用量子力學的特性而無需使用奇異的材料或設備，這增加了可以使用當前設備創建量子信息技術的可能性。 幾十年來，計算機行業一直受益於摩爾定律。
  • 863計劃新材料技術領域「二維/三維石墨烯材料與光電器件的可控...
    石墨烯具有優異的光學和電學性質，其高光學透過率和超高載流子遷移率等特性及在新型光電器件中具有很好的應用前景。　　近日，由重慶墨希科技有限公司、中國科學院重慶綠色智能技術研究院、重慶萊寶科技有限公司和重慶大學等單位共同承擔的863計劃「二維/三維石墨烯材料與光電器件的可控制備及示範應用（2015AA034801）」課題通過技術驗收。