自旋電子學及其器件產業(yè)化

前言

電子同時具有電荷與自旋二個本征量，電荷為標量，自旋為矢量，以往，二者在不同的領域發(fā)揮重要的作用，自旋主要局域于磁性材料領域，對強耦合的自旋體系已成為重要的磁有序材料，其中含鐵磁、亞鐵磁、反鐵磁以及自旋螺旋有序材料，而電荷卻活躍在電工、電子等眾多領域。溯源上千年，人類已對磁與電有所感性認識，縱觀人類社會的發(fā)展史，19世紀人類在對電流、磁場及其互作用的科學研究基礎上，成功地制造了電動機、發(fā)動機、電燈、電話等電器，形成了電工學，從而在美國、歐州首先產生了第二次產業(yè)革命，使人類進入到電氣化時代，從物理的觀點看來，19世紀是人類開始按照科學的規(guī)律用電場調控電子電荷流的新紀元，20世紀是人類利用量子力學，能帶理論在半導體中調控電荷運動，形成了微電子學的新學科，制造出二極管到超大規(guī)模集成電路的IC芯片，從而開創(chuàng)了第三次產業(yè)革命，使人類進入到信息化時代。電工學與電子學以及微電子學主要研究電子電荷的輸運性質，都未涉及到電子具有自旋的特性，第二次、三次產業(yè)革命是以電場調控電荷為主，但在應用中都離不開磁性材料，如在電動機、發(fā)電機中離不開硅鋼片磁性材料，在計算機中關鍵部件是芯片與利用磁性材料進行信息存儲的硬盤，從這個角度考慮自旋在產業(yè)革命中也是直接發(fā)揮了重要的作用，只是人們不甚了解它的重要性而已，但自旋在輸運過程中確實尚未發(fā)揮作用。

既然電子同時具有電荷與自旋，為什么在電工學與電子學以及微電子學中均不考慮自旋呢？原因是電工學與電子學以及微電子學所研究的對象均為宏觀尺度，電子在固體中運動時必然受到晶格的散射，電荷為標量，其特性不變，而自旋是矢量，在散射過程中將會改變其自旋取向，在電子輸運過程中，自旋保持其方向不變所經過的平均路程稱為自旋擴散長度，超過自旋擴散長度時，自旋將會反向，通常電子在磁性材料中的自旋擴散長度約為10-100nm，在半導體中約為1-10微米，傳統電工學與電子學所研究對象的長度，通常遠超過自旋擴散長度，因此，自旋在輸運過程中將翻轉多次，統計平均的結果矢量和為零，將顯示不出自旋的存在，因此在傳統的電工學與電子學中可忽略電子具有自旋這一特性。然而，當我們研究的對象其尺寸與自旋擴散長度相當或更小時，如在納米尺度的體系中，自旋的特性將會顯示出來。20世紀80年代，法國Albert Fert與德國Peter Grünberg二位科學家所做的工作充分證明了這一點，他們研究了（Fe/Cr/Fe）n納米多層膜的層間交換耦合作用以及輸運性質，發(fā)現了巨磁電阻效應，該效應表明自旋取向將會影響電子的輸運過程，呈現出電阻的改變，從而開創(chuàng)了磁電子學（magnetoelectronics）的新學科，鑒于其研究的重要的基礎意義與巨大的應用領域，這二位科學家獲得2007年度的物理學諾貝爾獎，評獎委員會宣稱“該效應的發(fā)現打開了一扇通向技術新世界的大門，開啟了科學研究的新紀元”。自然人們會聯想到在半導體器件中除電場調控電荷外，如器件中的電子自旋有序極化時，也可調控自旋，從而可創(chuàng)造出新穎的半導體自旋器件，21世紀初，研究的重點已轉移到半導體自旋電子學的新方向，繼后，又擴展到有機分子體系，這三者構成自旋電子學（Spintronics）研究的內涵。本文將簡略地介紹自旋電子學及其器件產業(yè)化情況。

一、磁電子學

1988年報道了在（Fe/Cr）n多層膜中發(fā)現巨磁電阻效應（GMR）之后，引起了科學界廣泛的興趣與重視，迅速地發(fā)展成為一門新興的學科-磁電子學，磁電子學與傳統的電子學或微電子學的主要區(qū)別在于傳統的電子學是用電場控制載流子電荷的運動，而磁電子學是利用磁場或極化電流控制載流子自旋的運動，巨磁電阻效應的發(fā)現為人們獲得與控制極化自旋流開拓了現實的可能性。多層膜巨磁電阻效應是源于載流子在輸運過程中與自旋相關的散射作用。繼多層膜磁電阻效應后，顆粒膜，隧道結磁電阻效應（TMR）以及錳鈣鈦礦化合物的龐磁電阻效應（CMR）等相繼被發(fā)現，自旋閥的多層膜結構使產生巨磁電阻效應的飽和磁場大為降低，才促使巨磁電阻效應走向實用。最早報道的（Fe/Cr）n納米多層膜巨磁電阻效應見圖1。

由圖顯見，這是納米結構的多層膜，磁性的Fe層保持3納米，而非磁性Cr層的厚度從1.8納米降低到0.9納米，隨著Cr層的厚度的降低，磁電阻效應顯著增大。原本科學家研究重點是二鐵磁層間如插入非磁性金屬層時，鐵磁層間是否存在耦合？實驗表明：二Fe層間隔一薄層的非磁性Cr層后，二者之間存在鐵磁/反鐵磁型的振蕩型耦合，如圖2所示，該耦合作用被認為通過傳導電子的RKKY型交換耦合所導致，見圖2。

圖2縱坐標為交換耦合常數J，從交換能的公式Eex=-J（Si·Sj）可知，當J為正值時，相鄰自旋間呈平行排列能量最低，反之，J為負值時，相鄰自旋間呈反平行排列，此外，非磁性層厚度小時交換耦合作用強，隨著非磁性層厚度增加，交換耦合作用由正到負呈振蕩型的衰減而趨于零。將圖1與圖2結合在一起考慮，呈現磁電阻效應的非磁性Cr層處于反鐵磁耦合厚度時，磁電阻效應就大，如何理解實驗結果，通常采用Mott的二流體模型，見圖3。

進入鐵磁層的電子可分成自旋朝上（自旋平行于磁化強度M的方向）與自旋朝下（自旋反平行于磁化強度M的方向）二類，這二類電子在磁性層中輸運時所受到的散射不一樣，自旋平行于磁化強度M方向的電子散射低，電阻低，反之散射就高，電阻高，因此可以將電子通過磁性層的電阻分解為二類電子電阻的并聯，如圖3. 如多層膜中的磁化方向交替的改變，那么對這二類電子的電阻其值均相同，如將多層膜在膜平面內磁化到飽和，所有的各層磁化方向基本上趨向一致，由于自旋朝上的電子受的散射低，電阻小，因而二者并聯的總電阻將會顯著下降，從而可理解巨磁電阻效應的物理機制，設想未加磁場時層間呈反鐵磁耦合，電阻高，隨著磁場增強，磁化趨于飽和，總電阻下降，顯示出巨磁電阻效應。因此巨磁電阻效應本質上反映的是與自旋相關的電子輸運性質，這點十分重要，因為以前所有的輸運性質僅僅關聯于電子電荷的運動，而巨磁電阻效應表明：在合適的納米結構中，調控自旋也可像調控電荷一樣影響電子的輸運性質，從而開拓出與自旋相關的新穎器件。endprint

上述的巨磁電阻效應（GMR-Giant magnetoresistance）的基本構型是F/M/F， F指鐵磁層，M代表非磁金屬層，電子在其中受到體內與界面的散射，如M用非磁性的絕緣體（I）來取代，生成（F/I/F）結構，此時電子只能隧穿絕緣層才能進行輸運，將會產生隧道磁電阻效益。

1975年Julliere首先在Fe/GeO/Co納米結構中發(fā)現隧道磁電阻效應TMR（Tunneling magnetoresisitance），4.2K溫度下MR可達14%，這種（F/I/F）型隧道結的隧道磁電阻效應見圖4，當夾層膜二邊的磁化方向一致時，與磁化方向一致的電子自旋就能隧穿通過，反之，如二邊的磁化方向相反，電子就無法通過，相當與自旋極化的濾波器，從能帶結構可以理解隧穿效應。雖然Julliere的磁性隧道結磁電阻效應先于GMR效應的發(fā)現，但由于室溫MR值不高，因此當時未得到充分重視，直到1988年巨磁電阻效應的發(fā)現，才促使進一步開展隧道磁電阻效應的研究，1995年Miyazaki等人在（Fe/Al2O3/Fe）結中發(fā)現室溫MR值可達18%，重新興起隧道磁電阻效應研究的熱潮，理論與實驗的研究表明，如絕緣層采用MgO單晶層，可獲得甚高的TMR效應，如圖4所示，結的TMR室溫值可高達500%，5K溫度下可達1010%，其靈敏度遠高于GMR，目前TMR磁傳感器已廣泛地應用于讀出磁頭等高靈敏度的器件中。

諾貝爾物理學獎的巨磁電阻效應是原創(chuàng)性的成果，開拓了自旋電子學新領域，但事實上是無法直接進入商業(yè)化的應用，原因是所需的外磁場太高，需要高于1T的高磁場才能呈現出大的磁電阻效應，因此，其磁場靈敏度低于已實用化的各向異性磁電阻效應（AMR）器件與霍爾效應器件，此外采用分子束外延的工藝生產納米多層膜也難以投入工業(yè)化生產，然后，美國學術界與企業(yè)界卻十分看好其應用前景，花費了3年左右時間的研發(fā)，采用反鐵磁交換耦合的自旋閥結構，見圖5將產生巨磁電阻效應所需的外磁場降低近一萬倍，在0.1mT量級磁場下可獲得顯著的磁電阻效應，終于成為磁傳感器產品進入市場，但諾貝爾獎只獎給原創(chuàng)性的最初成果，在其基礎上實用化的進展卻無此殊榮。

在磁電子學的研究歷程中，最重要的進展是自旋轉移力矩效應（Spin-Transfer Torque）的發(fā)現與應用。首先理論上預言自旋力矩的存在，繼后又得到實驗證實，自旋轉移力矩源于載流子自旋與局域電子自旋之間的力矩轉遞，其宏觀理論處理采用Landau-Lifshits-Gilbert方程式后再加上一項自旋力矩項（TS ），稱為Landau-Lifshits-Gilbert-Slonczewski 方程：

dM/dt=γ[Heff×M]+TG+TS

其中M為磁化強度矢量，第一項代表當自旋與磁場不平行時，自旋將受到一力矩使其圍繞著磁場Heff進動，進動頻率處于微波頻段。在力矩作用下最終自旋將平行于磁場，這意味著存在阻尼，這就是第二項（TG）所代表的，αG為損耗因子，γ為旋磁比。

TG=-（αGγ/M0）[M×[M×Heff]]

第三項為自旋轉移力矩項.

TS=+（αSγ/M0）[M×[M×Mp]

其中：αS為自旋力矩常數

以往，自旋的翻轉或改變方向總是借助于外磁場，根據自旋力矩理論，自旋極化電流也可以改變或翻轉局域自旋的取向，利用自旋極化電流來調控自旋是十分有利器件小型化與降低能耗，利用此原理的磁隨機存儲器稱為ST（STT）-MRAM（spin-transfer-magnetic-random-access-memory），目前已成為國際信息存儲與處理的主要研發(fā)方向之一。

對自旋動力學的研究是自旋電子學十分重要的方向，已成為“自旋波電子學”新分支。

廣義的磁電阻效應指電阻隨磁化狀態(tài)而變化的現象，目前大致上將磁電阻效應分為：正常磁電阻效應（OMR）；各向異性磁電阻效應（AMR）；順行磁電阻效應（PMR）；巨磁電阻效應（GMR）；隧道磁電阻效應（TMR）；龐磁電阻效應（CMR）；彈道磁電阻效應（BMR）這幾類。磁電阻效應奠定了磁電子學的基礎，磁電子學所涉及的主要是與自旋相關的輸運性質，或磁輸運性質（Magnetotransport），自旋極化是磁輸運性質的核心。

二、半導體自旋電子學

20世紀最偉大的成就之一是微電子工業(yè)的崛起，迄今為止，不論集成電路或超大規(guī)模的集成電路中的半導體元器件，僅僅利用了電子具有電荷這一自由度，用電場控制載流子的運動，從而獲得特定的功能。在計算機中，核心部件為芯片與硬盤，二者是通過外部的連接而耦合在一起的。長期以來人們夢寐以求磁性與半導體性能在固體內部進行耦合，20世紀60年代科學家就開展過磁性半導體材料的研究，其中包括反鐵磁性的氧化物材料，亞鐵磁性的鐵氧體材料，以及硫族化合物等，發(fā)現了磁電阻效應，意味著在固體內部可以存在磁與電的耦合，盡管尚未找到合適的材料，但卻為磁性與半導體特性合作現象的研究開拓了新領域。巨磁電阻效應的發(fā)現，無疑地為進一步研究磁性半導體注入了一劑強心針，在新形勢下科學家換了新的思維，假如在半導體中進行輸運的載流子不是自旋無規(guī)取向的電子，而是自旋極化的電子，那么可以同時利用電子具有電荷又具有自旋這二個自由度，不僅可以利用電荷，而且可以利用自旋，自旋自由度的添加，將會產生難以估量的新型微電子學器件的誕生，此外，電子在金屬中的平均自由程約為10nm量級，但在半導體中電子的平均自由程可增加到10μm量級，十分有利于構建半導體自旋電子學器件，因此如何將自旋極化的電子注入到常規(guī)半導體中，就成為解決問題的焦點，現在，采用多層膜，隧道結的方法可產生自旋極化電子流，當然首選的是將金屬中的極化電子注入到半導體中，實驗的結果并不理想，由于金屬與半導體的電阻率相差近6個量級，阻抗不匹配，自旋極化電子難以注入到半導體中，此外，在界面散射將會引起自旋翻轉，其效率僅為1%左右，如采用自旋極化率為100%的半金屬材料作為自旋注入源，理論上是十分有效的，但目前尚未實現，另一個方法是研制具有自旋極化的磁性半導體，即所謂稀磁半導體DMS（Dilute magnetic semiconductors），這樣阻抗匹配問題就迎刃而解，當今半導體工藝十分成熱，一旦自旋極化電子能方便地注入到常規(guī)半導體中，自旋半導體電子學器件必將迅速發(fā)展。 對p型的半導體，摻入5%Mn，考慮通過正穴為中介，RKKY互作用而產生鐵磁性交換作用，理論上估算居里溫度如圖6所示。endprint

通常稀磁半導體的制備是采用少量3d過渡族元素（Mn，Fe，Ni，CoV，Cr等）摻入到半導體材料中而產生鐵磁性，但不過多地影響其半導體特性，有關研究工作甚多，例如：在CdTe，ZnTe，HgTe，CdSe，HgSe，CdS等Ⅱ-Ⅵ族半導體中，s，p電子參與輸運過程，如3d過渡族元素摻入其中，由于s，p電子與d電子的互作用，可望獲得鐵磁性.如Zn1-xCrxTe薄膜，其居里溫度可超過室溫.Schmidt and Molenkamp通過Zn0.91Be0.06Mn0.03Se稀磁半導體將自旋極化電子注入到GaAs半導體中，構成發(fā)光二極管，通過發(fā)射光的偏振性的測量，確定自旋注入的效率可達90%，從而論證了稀磁半導體是高效率的自旋極化注入體。

Ⅲ-Ⅴ族化合物是十分重要的半導體材料，例如：GaAs，InAs，GaN，InN，AlP等，這些半導體材料在光電子器件中已得到廣泛的應用，自然人們十分感興趣研究其稀磁半導體， 已廣泛報道的是以Mn摻入獲得鐵磁性， 如（GaMn）As， （InMn）As等，由于Mn 的離子半徑為1.40 ?大于Ga的離子半徑（1.22-1.38?），Mn在GaAs中固溶度很低，為了提高固溶度，在制備上常采用低溫非平衡生長的分子束工藝. 2003年報道的最高居里溫度為160K。

Ⅲ-族元素的氮化物，與磷化物，如GaN，InN，Gap，AlP等是屬于寬禁帶的半導體材料，其三元與四元化合物是十分重要的光電子材料，摻入Mn后可生成相應的稀磁半導體.第四族元素，如Ge，Si是微電子工業(yè)十分重要的基礎半導體材料，它的稀磁半導體當然是更為引人矚目。

Mn在Ge，Si中的固溶度都是十分低的，而居里溫度通常是正比例于Mn的摻入濃度，為了增加Mn在Ge中的固溶度，可采用非平衡的生長工藝，為了避免Mn的析出降低基片的溫度是十分有效的途徑.Park等人將MnxGe1-x（100）單晶薄膜生長在Ge與GaAs（001）的基片上，其居里溫度隨Mn離子濃度的增加而升高，當x=0.006時，Tc為116K.2002年Cho等人成功地提高Mn在Ge中的濃度，x=0.06，居里溫度提高到28oK。

Si是主流微電子工業(yè)的基礎半導體材料，它的實用意義是不言而喻的，由于Mn在Si中的固溶度甚低，很少有Si的稀磁半導體研究的，F.M.Zhang采用非平衡生長的工藝，成功地制備成SiMn的稀磁半導體， Mn在Si中的濃度估計為x=0.05，居里溫度超過400K，由于Si基半導體的制備工藝已達到爐火純青的階段，Si基稀磁半導體的研制成功將促進自旋半導體電子學器件向實用化方向發(fā)展。

自旋電子學的發(fā)展表明：材料與器件二者很難分開，不同納米薄膜材料，采用不同的堆砌方式，構成不同的納米結構，就可以產生不同的性能，構成不同的功能器件，因此在納米結構器件中，材料與器件是無法分離的，與宏觀材料與器件可以分離是有所不同的。此外，基礎與應用研究以及產業(yè)化生產也應當形成一個有機的整體。

從物理的觀點，在微電子器件的設計中增添自旋這一自由度，器件的性能除調控電荷外尚可調控自旋，今后，必將涌現出難以估量的以自旋為基的新型器件。目前科學家可預見的應用領域羅列如下：

1.自旋場效應晶體管（FET）

2.自旋發(fā)光二極管（LED）

3.自旋共振隧穿器件（RTD）

4.運行在千兆赫頻段的光開關

5.量子計算機與通信用的量子比特

6.調制器，編碼器，解碼器等

半導體自旋電子學：基于在半導體器件中引入極化電子自旋流，調控自旋，執(zhí)行信息的輸運、控制，以及存儲與處理等功能。其前途方興未艾，是自旋電子學的重要的核心部分，目前重點在自旋源的產生與自旋注入的關鍵技術突破，發(fā)展方向為 磁-光-電一體化的新功能器件以及開展半導體量子自旋電子學研究，發(fā)展固體量子信息處理器件。

三、分子自旋電子學

高分子材料主要是碳氫化合物，原子序數Z低，而自旋-軌道耦合正比例于z4，因此耦合弱，導致自旋弛豫時間長，可大于10μs.比無機材料高一個量級，此外高分子材料價廉，化學柔軟性佳，目前已開拓為自旋電子學研究的新領域。首先在La0.67Sr0.33MnO3/T6/La0.67Sr0.33MnO3nm結構中發(fā)現室溫30%的磁電阻效應，其中，T6（sexithienyl）為有機半導體（aπ-conjugated rigid-rod oligomer），在T6中的自旋擴散長度約為200nm. 繼后，采用π–共軛有機半導體（OSEs），Alq3-8-hydroxy-quinoline aluminium，在有機自旋閥中作為磁性層中間的間隔層，構成（LSMO（100nm）/Alq3（130nm）/Co（3.5nm））夾層膜的有機自旋閥構型中發(fā)現巨磁電阻效應（OMAR），其構型見圖7，其中LSMO-La0.67Sr0.33MnO3，同圖顯示了其磁電阻效應，在11K溫度下磁電阻效應約為40%。

Alq3在有機光躍遷二極管（OLED）中已廣泛應用，在OLED中，大量的電子，空穴處于無躍遷發(fā)光的自旋三重態(tài)，以致發(fā)光效率不高，如采用自旋極化電子注射到有機層中，可改變載流子在單重態(tài)與三重態(tài)中的比例，通過自旋單重態(tài)可產生電子躍遷發(fā)光，從理論上分析，可提高發(fā)光效率25%. 自旋極化效應除在光電子器件中可望得到應用外，各類有機自旋器件（OSPDs），如磁控的有機場效應晶體管（OFETs），薄膜晶體管，在有機的雙極器件中發(fā)現高的磁場誘發(fā)的電流等。

此外，拓撲絕緣體，石墨烯、碳納米管等自旋電子學也是值得關注的研究新領域。

四、自旋電子學器件產業(yè)化簡介

1.磁電阻效應傳感器

巨磁電阻效應為測量微弱磁信號提供了一個新穎的方法，尤其是TMR的應用，可以迅速測定微弱磁信息，早期GMR讀出磁頭很快地應用于計算機中磁硬盤，繼后，TMR讀出磁頭導致硬盤的記錄密度呈百、千倍的增加，使硬盤從被光盤淘汰的邊緣中起死回生，重新成為信息儲存的主流儲存器，其產值大于300億美元。同樣的可用于測量與控制位移與轉角，用于數控機床，汽車，家用電器等，廣泛地用于軍、民工業(yè)領域。常用的幾類磁傳感器性能對比，見表1.endprint

一些主要磁傳感器的產值：

磁敏傳感器：～60億美元

信號隔離耦合器～ 35億美元

計算機硬盤：>300億美元，由于NAND等固態(tài)存儲器的競爭，磁硬盤的產量將有所下降

MRAMs >1000 億美元

利用自旋轉移力矩在實驗室已研發(fā)成功寬頻帶可調的固體微波振蕩器。除利用自旋轉移力矩（STT）效應、其他物理場，如：激光場、應力場、熱場（溫度場）或微波場調控自旋等多種物理場的調控是值得重視的研究內涵，未來自旋電子器件：如自旋晶體管，寬帶微波振蕩器，量子計算機等將會相繼問世。

2.自旋芯片

我們已進入到互聯網，大數據的時代，必須要有大數據的存儲與信息的高速處理，由于量子效應的限域，半導體的芯片的發(fā)展面臨著摩爾定律的終結，預計2020年我們將告別摩爾定律，如圖8所示，那么后摩爾定律時代的計算機芯片將會是什么原理與構型呢？

當前計算機的芯片采用0.1的二進位的信息儲存、運算，0與1在物理上代表二個不同的穩(wěn)定的狀態(tài)，如現在的半導體的芯片采用電荷存在與否代表1與0，另一種可能是利用電子自旋，自旋是矢量，從而可利用自旋朝上與朝下二種自旋取向來制備自旋芯片，因此本質上自旋芯片具有非易失性，低能耗，高速度，抗輻射，長壽命等優(yōu)點。

20世紀50年代，利用鐵氧體小磁環(huán)作為存儲單元，采用電流重合法制備成原始的電子計算機芯片，繼后，用晶體管取代磁芯，構成半導體芯片一直沿用到現在，基本結構沒有變化，歷史的發(fā)展出人意料，芯片又將進入到一個新的輪回，如利用TMR隧道結作為存儲單元取代50年代的磁芯，就可制成原始的磁隨機存儲器芯片（MRAM），它不僅具有半導體存儲器件的功能而且還有掉電保護即非易失性的功能，抗高能粒子的輻射性，由于尺寸大，密度低，能耗高難以與半導體芯片相競爭，自從實現極化自旋流調控TMR隧道結的自旋取向后，STT-MRAM走向了應用的階段，他與傳統半導體芯片，DRAM，SRAM，以及FLSH的性能對比如表2。

由表可見：自旋芯片（各種模式的MRAM的統稱）與現有的半導體芯片優(yōu)缺點對比如下：

自旋芯片優(yōu)點：非易失性；抗輻射性；高集成度；高運算速度；低功耗；長壽命。與DRAM相比它具有非易失性；抗輻射性；高運算速度。與Flash相比它具有低功耗；長壽命；存取速度比Flash快千倍。此外，除做內存外，尚可做外存，與硬盤相比，自旋芯片沒有機械運動部分，數據處理速度快，能耗低，但儲存密度目前尚比硬盤低，

自旋芯片已經歷了三個發(fā)展階段；2006年前利用隧穿磁電阻效應（TMR），采用電流重合法，用電流產生的磁場調控自旋，制成低密度的第一代自旋芯片-MRAM； 2006年后利用自旋極化電流調控自旋，功耗下降，存儲密度提高，成為第二代自旋芯片-STT-MRAM；目前研發(fā)電場調控自旋，功耗將進一步下降的第三代自旋芯片-MeRAM，可望在近年取得突破，從而進入到商業(yè)化的階段；此后，自旋芯片將與半導體芯片進行市場化的競爭，為了進一步減少尺寸、降低能耗，目前科學家正在研究薄膜中的磁渦旋、磁滴子、磁性斯格明子等具有手性特征的特殊磁結構，預期可以在較低的磁場下進行驅動，從而進一步降低功耗，提高運算速度。

世界先進國家都將自旋芯片作為高技術的戰(zhàn)略制高點加以重視，具有經濟與國防雙重的重要性。自旋電子學的發(fā)展與應用，未來將引發(fā)數據存儲與處理技術的革命。

自旋芯片兼具SRAM的高速度、DRAM的高密度和Flash的非易失性等優(yōu)點，其抗輻射性尤為軍方所青睞，原則上可取代各類存儲器的應用，成為未來的通用存儲器。自旋芯片屬于核心高端芯片，是科技關鍵核心技術，可軍民兩用，具有高達上千億美元的巨大市場前景，有可能成為后摩爾時代的主流芯片，這對于提升國家的高科技水平和增強國防安全意義重大，國外不會將高端科技輕易輸入中國，國家應予以高度重視和支持。近十年來，國外主要芯片公司制備與應用自旋芯片情況概括如下：2007年，Honeywell開發(fā)出1Mbit的非易失性抗輻射MRAM芯片；IBM、TDK合作開展STT-MRAM研究并計劃在未來生產高容量MRAM芯片；2008年，日本衛(wèi)星上全面采用Freescale公司的MRAM產品替代SRAM和Flash存儲器；Samsung和Hynix合作研究STT-MRAM；Toshiba公司宣布研制高容量的1Gbit的STT-MRAM芯片的進展，Freescale將MRAM業(yè)務拆分出來組建了新公司“Everspin”；Grandis公司獲得1500萬美元美國政府資助進行STT-MRAM研究；2009年，法國政府宣布投入420萬歐元資助研制自旋電子可編程邏輯器件；韓國政府與Hynix 和 Samsung共同投資5000萬美元開發(fā)STT-MRAM；2010年，日本研究人員開發(fā)出一種新的TMR結構在原理上可以使STT-MRAM容量達到10Gbit；Everspin推出了16Mbit MRAM芯片產品；2013年歐洲A350飛機采用自旋芯片控制系統。3013年“Everspin”全球銷售副總裁Sewell回答日經記者提問時，宣稱2-4年內公司將量產28nm，1Gbit的STT-MRAM 自旋芯片。據可靠消息，臺積電和MagIC公司明年擬將128M或512M STT-MRAM嵌入式芯片應用于i-Watch 之中。有望帶來民用產品和醫(yī)療監(jiān)護及其互聯網等領域上的一次潛在的大規(guī)模應用。如待國外進入批量生產，專利全面覆蓋時，我們再組織研發(fā)與生產，為時已晚唉。

2012年我國進口半導體芯片約1920億美元（其中包含了大量的存儲器芯片），超過石油進口1200億美元，如我們當前不重視自旋芯片的研發(fā)與產業(yè)化，將來必將受制于國外，重走半導體芯片落后的覆轍。出于中國科學工作者的責任心，特懇請國家領導從國家發(fā)展戰(zhàn)略高度來關注、落實與組織自旋芯片的生產與研發(fā)，機不可失，時不再來。endprint

結束語

自旋電子學正處于快速的發(fā)展時期，方興未艾。材料是器件的基礎，自旋電子學材料源于現有材料，經過納米組裝后，推陳出新，脫胎換骨，使材料與器件成為一體，一躍而成為功能材料中的新葩。

自旋電子學可定義為：與自旋相關的電子學，以往的電子學僅僅利用了電子具有“電荷”這一自由度，用電場調控電子的運動，從而制備出從二極管到超大規(guī)模集成電路，奠定了人類社會信息化的基礎。如今，可以用自旋極化電流或磁場等調控固體中的自旋取向，在電子學器件中增添了“自旋”自由度，從物理的觀點看來，增加一個新的可調控的自由度，必將呈現許多新的物理效應，從而開拓出難以預計的新器件。自旋不僅在電子學占有一席之地，自旋在催化領域、生物領域以及生命科學等領域中，都已引起了關聯與重視，因此，假如將20世紀比擬為“電荷”的世紀，那么21世紀有可能成為“自旋”的世紀，在微電子器件應用中自旋流有可能取代電荷流。電子學自旋的今天與明天，值得關注。自旋電子學已成為本世紀最富有活力的研究領域之一。

都有為，中國科學院院士，南京大學物理系教授，博士生導師。中國物理學會磁學專業(yè)委員會副主任，中國電子學會應用磁學專業(yè)委員會委員，中國電子學會會士，中國顆粒學會超微顆粒專業(yè)委員會副主任，中國儀表材料學會副理事長等職，曾任南京大學納米科學技術研究中心主任。國家95攀登計劃“納米材料科學”預選計劃“納米材料科學”首席科學家等職。

在南京大學組建了納米磁性科研組，培育了博士生40余人，其中二人分別獲2000與2003年度全國優(yōu)秀博士論文獎。曾任臺灣成功大學客座特聘講座教授，澳門科技大學榮譽教授，浙江大學求是講座教授等20余所高校的客座教授 。曾任國際磁性材料、物理會議（ISPMM）2005顧問；第一屆國際先進磁學材料與應用會議（1stISAMMA）2007常設指導委員會委員等職。長期從事磁學和磁性材料的教學和研究工作，開展了磁性、磁輸運性質與材料組成、微結構關系的研究。他與科研組的師生共發(fā)表SCI論文800余篇，被SCI論文引用一萬余次，國內學術刊物論文200余篇，獲國家發(fā)明專利24項，編著（含合編）書十本。獲國家自然科學二等獎、江蘇省科技一等獎各一項，省部級科技進步二等獎4項等，均為第一獲獎人。獲2007年度何梁-何利科學技術進步獎。

除基礎研究外，他還積極推動科技成果轉化，與磁性材料企業(yè)界保持良好的關系。endprint