孙连峰课题组在自旋场效应晶体管方面取得新进展

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晶体管的发明对无线电科学技术产生了重大影响，使电子计算机掀起了一场变革，人类由此进入了信息时代。经过指数式迅猛发展，传统硅基CMOS技术已进入亚10纳米节点，接近其尺度和性能极限。未来信息科技、产业的核心电子器件研发是一个受到广泛关注的重要问题。
　　传统硅基技术主要利用了电子的电荷特性，通过控制电荷的定向移动（电流）的“通”与“断”得到“1”、“0”两种状态。能否利用电子的自旋属性，使其定向移动（自旋流），来构建自旋晶体管，尤其是栅电压控制的自旋场效应晶体管（自旋FET）呢？室温磁性半导体被认为是解决此问题的一种途径，被Science列为125个科学难题之一。但是，室温磁性半导体材料制备一直没有取得成功，构建室温大气环境下工作的自旋FET一直是一个艰巨的挑战。

　　国家纳米科学中心科研人员经过多年努力，在前期提出的局域巨磁矩效应的基础上，成功构建出一种四端自旋FET。在这项工作中，他们利用单根半导体性单壁碳管，沿其长度方向有2段被与碳管垂直连接的金属电极打开，形成单壁管-半开碳管-单壁管-半开碳管-单壁管结构。当传统的电流流经与左边半开碳管的金属电极时，在半开碳管巨磁矩作用下，自旋在此聚集并产生沿碳管的自旋流。通过右边半开碳管的金属导线的开路电压，实现了对自旋流的检测。自旋相关的信号（Rspin）可高达数百欧姆，并且自旋FET在室温下、大气条件下工作。该自旋信号不仅可以通过栅压控制，而且X、Y、Z方向磁场也能有效调控，证明其起源来自于自旋和自旋流。由于独特的电滞回线与磁矩相关，自旋FET具有非易失性，能够实现存、算一体化，且功耗低。
　　相关研究成果以“A room-temperature four-terminal spin field effect transistor”为题发表在Nano Today 38, 101138(2021)上。国家纳米科学中心博士生刘佳和彭志盛为该研究的共同第一作者。国家纳米科学中心的孙连峰研究员、褚卫国研究员、李勇军副研究员及山东师范大学王公堂教授共同负责该项工作。该研究得到了科技部纳米重点研发计划，国家自然科学基金委，中国科学院战略重点研究计划，广东粤港澳大湾区国家纳米创新研究所及中国科学院包头稀土研发中心的支持。
　　原文链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1748013221000633。  

       文章来源：国家纳米科学中心
　　孙连峰，男，1964年出生于山东淄博。国家纳米科学中心博士生导师。1986年毕业于山东曲阜师范大学物理系，1989年在中科院物理所获硕士学位。1990年至1997年在胜利油田工作，2000年在中科院物理所获博士学位，2000年到2003年间分在新加坡国立大学物理系（博士后）及英国剑桥大学Cavendish做研究工作。2004年进入国家纳米科学中心工作，任研究员。现已发表包括Nature (1), Nano Lett. (4), Adv. Mater. (5), App. Phys. Lett. (8)等SCI 论文近50篇，文章他人引用率超过600 次。研究工作曾被评为国内基础研究十大进展，被科学时报，科学通报，中国科技通讯，英国BBC(News On line)，Nature China，Asia Materials（Nature Group）等多次报道。