廈大團(tuán)隊攻克室溫自旋注入難關(guān)

　　如何讓電子器件運行更快、功耗更低？自旋電子學(xué)被認(rèn)為是重要方向之一。記者從廈門大學(xué)獲悉，近日，該校物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院張榮院士團(tuán)隊傅德頤課題組在這一領(lǐng)域取得重要突破，創(chuàng)新性地利用金屬銦作為緩沖層，在室溫下實現(xiàn)了高達(dá)25%的自旋注入效率，為開發(fā)新型磁存儲器和傳感器等提供了簡單高效的解決方案。相關(guān)研究成果在線發(fā)表于國際期刊《自然·通訊》（Nature Communications）。

　　自旋注入是自旋電子學(xué)應(yīng)用的核心環(huán)節(jié)，可以理解為讓攜帶信息的“自旋電流”順利進(jìn)入傳輸材料。石墨烯因其超低自旋軌道耦合和高載流子遷移率，被公認(rèn)為理想的自旋傳輸平臺。但長期以來存在一個難題：如果直接把鐵磁金屬沉積在石墨烯上，兩者接觸過于“透明”，超過99%的自旋信息在入口處就會丟失，注入效率不足1%。

　　為提高效率，傳統(tǒng)方法需要在兩者之間插入極薄的絕緣介質(zhì)層（如氧化鎂或二維六方氮化硼）作為“隧穿勢壘”。但這些方法存在工藝復(fù)雜、容易產(chǎn)生缺陷、可擴(kuò)展性差等問題，限制了實際應(yīng)用。

　　廈大團(tuán)隊提出了一種創(chuàng)新性的簡化方案：在鐵磁鈷（Co）電極和石墨烯之間，插入一層約4納米厚的金屬銦作為緩沖層。這層銦既能阻止鈷與石墨烯的直接化學(xué)接觸，又自然形成了一個約0.28納米的范德華間隙——范德華力是原子與分子間一種天然存在的微弱吸引力——由它維持的微小間距恰好可以作為自旋信息有序通過的“隧道”，其有效勢壘高度約為62.8毫電子伏特。

　　實驗結(jié)果表明，這一策略效果顯著。團(tuán)隊在石墨烯橫向自旋閥結(jié)構(gòu)中清晰觀測到了自旋注入的特征信號，室溫下的注入效率達(dá)到25%，與當(dāng)前最復(fù)雜的氧化物隧穿結(jié)器件相當(dāng)。

　　更令人關(guān)注的是，該方法展現(xiàn)出優(yōu)異的可擴(kuò)展性：一是多通道一致性，在多溝道石墨烯器件中，所有通道均表現(xiàn)出均勻的自旋信號，平均效率達(dá)16.5%；二是長距離傳輸，在15微米的超長溝道中，自旋信號仍能穩(wěn)定傳播，自旋擴(kuò)散長度達(dá)5.9微米，信號強度比同類器件高1到2個數(shù)量級；三是材料普適性，團(tuán)隊還將該方法成功應(yīng)用于半導(dǎo)體二硫化鉬（MoS_2），首次實現(xiàn)了平均19.7%的自旋注入效率，證明該策略可推廣到更多材料體系。

　　理論分析表明，金屬銦緩沖層形成的范德華間隙起到了關(guān)鍵的隧穿勢壘作用，使自旋注入由隧穿效應(yīng)主導(dǎo)，從而解釋了高效注入的物理機制。

　　這項研究的另一亮點在于其制備工藝相對簡便——僅需在工業(yè)通用的電子束蒸發(fā)設(shè)備中連續(xù)沉積兩層金屬，無需復(fù)雜的外延生長或二維材料轉(zhuǎn)移流程，降低了制備成本和產(chǎn)業(yè)化門檻。

　　業(yè)內(nèi)人士指出，它不僅解決了自旋注入效率與可擴(kuò)展性之間的權(quán)衡難題，而且首次在MoS_2等二維半導(dǎo)體材料中實現(xiàn)了高效自旋注入，為室溫自旋電子器件（如磁存儲器、傳感器和量子計算元件）的大規(guī)模應(yīng)用鋪平了道路。其簡單、低成本的制備工藝尤其適合未來產(chǎn)業(yè)化需求。

　　該研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、廈門大學(xué)校長基金等項目的資助，以及廈門大學(xué)微納光電子材料與器件教育部工程研究中心、福建省半導(dǎo)體材料及應(yīng)用重點實驗室等平臺的支持。（福建日報記者 李珂）