新型超薄磁性半導體:打造新一代自旋電子器件和量子電子器件!

2020-12-05 環球創新智慧

導讀

據美國斯蒂文斯理工學院官網近日報導，該校研究人員開發出一款能在室溫下工作的鐵磁性半導體，解決了科學界一個最棘手的難題。

背景如今，智慧型手機、筆記本電腦等電子產品的小型化已經成為一種趨勢，在這些產品內控制電流與存儲信息的電晶體也在越變越小。著名的摩爾定律曾指出：「當價格不變時，集成電路上可容納的電晶體數目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。」

摩爾定律-集成電路晶片上電晶體數量（1976-2016）（圖片來源：維基百科）

可是，隨著電晶體尺寸逼近5納米，我們就會遇到新的問題，例如「量子隧道效應」。也就是說，電子不再受制於歐姆定律，穿越了原本無法穿越的勢壘，引起集成電路漏電現象，電晶體變得不再可靠。此外，隨著單顆晶片上集成的電晶體數量不斷增加，電荷帶來的發熱問題會更加嚴重，從而影響到晶片的處理速度與性能。這些問題嚴重阻礙了電子器件的小型化進程。

一般來說，傳統的電子器件都是基於電子的電荷特性開發而成的。電荷在金屬導體或者半導體中定向運動形成電流，電流可以傳輸與處理數據信息。但是，電流流經導體與半導體時，會不可避免地會散發熱量，產生能耗。

值得慶幸的是，除了電荷這一特性，電子還具有另外一種與生俱來的量子物理特性：「自旋」。自旋，可以被理解為一種角動量，要麼「向上」，要麼「向下」。自旋著的電子可以創造出轉移或存儲信息的磁矩。

（圖片來源：Sumio Ishihara）

基於電子的自旋特性創造出的新型電子器件，也稱為「自旋電子器件」。自旋電子器件具有體積小、速度快、功耗低等優勢。在後摩爾時代，自旋電子器件有望成為基於電荷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. Cornelissen）

創新

近日，美國斯蒂文斯理工學院的研究人員開發出一款原子級薄度的新型磁性半導體，用這種磁性半導體可以開發出一款以全新方式運作的新型電晶體。這種電晶體不僅可以利用電子的電荷特性，也可以利用電子的自旋特性，從而為創造更小更快的電子器件提供了一種替代性方案。這項新發現於2020年4月份發表在《自然通信（Nature Communications）》期刊上。

這項發現並不是依賴打造越來越小的電氣元件，而是有望為推動自旋電子學領域的發展提供一個關鍵平臺，為操作電子器件提供一種全新的方式，以及為標準電子器件的繼續小型化提供一種急需的替代方案。除了去除小型化道路上的障礙，這款原子級薄度的新型磁體也將實現更快的處理速度、更低的能耗以及更高的存儲容量。

（圖片來源：斯蒂文斯理工學院）

技術

這個項目的領頭人、斯蒂文斯理工學院機械工程系教授 EH Yang 表示：「二維鐵磁性半導體，是一種鐵磁性和半導體性共存於一體的材料。因為我們的材料工作在室溫條件下，所以我們就可以輕而易舉地將它與成熟的半導體技術結合到一起。」

斯蒂文斯理工學院機械物理系教授 Stefan Strauf 表示：「這個材料中的磁場強度是 0.5 mT；雖然如此微弱的磁場無法吸起一個回形針，然而卻足以改變電子的自旋，從而被量子位應用所利用。」

採用二維材料（僅兩個原子的厚度）打造新型磁性半導體，將有利於開發出一款通過控制電子自旋（要麼向上，要麼向下）來控制電流的電晶體，而且整個器件將保持輕量、柔軟、透明。

Fe:MoS2 單層（圖片來源：參考資料【1】）

Yang 及其團隊採用一種稱為「原位替代摻雜」的方法，用孤立的鐵原子替代摻雜二硫化鉬晶體，成功合成了一款磁性半導體。在這個過程中，鐵原子「趕走」某些鉬原子，並取代它們的位置，準確地點說，創造出一種透明且柔軟的磁性材料（僅兩個原子的厚度）。這種材料被發現可在室溫下保持磁性，並且因為它是一種半導體，所以未來可以直接集成到電子器件的現有架構中。

Yang 及其位於斯蒂文斯理工學院的團隊與幾個研究機構一起合作，一個原子接一個原子地對材料進行成像，以證明鐵原子佔據了某些鉬原子的位置。這些研究結構包括羅切斯特大學、倫斯勒理工大學、布魯克海文國家實驗室、哥倫比亞大學。

斯蒂文斯理工學院機械工程系的博士研究生 Shichen Fu 表示：「要想在科學領域取得偉大的成就，你需要與其他人合作。這一次，我們召集了所有合適的人（具有不同優勢和觀點的實驗室）來實現這一創舉。」

關鍵字

二維材料、半導體、自旋電子

參考資料

【1】Shichen Fu, Kyungnam Kang, Kamran Shayan, Anthony Yoshimura, Siamak Dadras, Xiaotian Wang, Lihua Zhang, Siwei Chen, Na Liu, Apoorv Jindal, Xiangzhi Li, Abhay N. Pasupathy, A. Nick Vamivakas, Vincent Meunier, Stefan Strauf, Eui-Hyeok Yang. Enabling room temperature ferromagnetism in monolayer MoS2 via in situ iron-doping. Nature Communications, 2020; 11 (1) DOI: 10.1038/s41467-020-15877-7

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