自旋电子材料物理及器件研制取得丰硕成果

***物理研究所承担的973计划2006年结题项目自旋电子材料、物理及器件研制取得丰硕的成果。 电子同时具有电荷和自旋(磁矩)两种属性是人所共知的。电子在导体中运动产生电流，对半导体价电子的调制发展起来的晶体管器件，这些都是人们非常熟悉的， 是利用了电子电荷属性。电子的自旋属性鲜为人知，这是因为自旋磁矩是有方向性的，通常情况下电子运动过程中自旋的方向是混乱的，显示不出自旋的属性。电子 在流动过程中自旋能保持向上或向下的电流称为极化自旋电流，极化自旋电流能保持的输运长度称为自旋扩散长度，对于金、银、铜等自旋扩散长度有300nm， 对于铁、钴、镍自旋扩散长度只有30nm。1988年在铁磁Fe/非磁性金属Cr几个纳米厚度(远小于自旋扩散长度)的多层膜中发现当相邻铁磁层磁化强度 方向相反与相同之间的电阻相差很大，称为巨磁电阻效应（GMR）。1995年发现铁/氧化铝/铁在室温下有很大的隧道磁电阻效应（TMR）。1994年 IBM公司宣布利用GMR效应做成了自旋阀硬磁盘读出磁头的原型，并很快进入市场。利用磁性隧道结构建的磁性随机存储器(MRAM)具有非常优异的特性： 如，存储信息的非易失性、高存储密度、高速读取能力、低功耗以及抗辐照等。另外，它既可以作为计算机内存芯片，又可以作为像硬磁盘和闪存Flash那样的 外存储器。至此，一个以研究自旋电子产生、输运、检测和调控的新学科“自旋电子学———spintronics”问世了。本项目选择***具有转化可能的自旋 电子学材料和器件作为突破点(磁性隧道结材料、自旋阀材料和磁性随机存储器和磁性传感器)，直接将自旋电子器件的研制作为自旋相关输运问题基础研究的载 体，保证基础研究的成果能够***快***直接地回馈于实际应用，是一项具有极其重要战略意义的基础研究工作。为此，本项目设置五个课题：磁性隧道结材料、物理及 原型器件研制；自旋阀及相关自旋电子材料的机制及应用研究；自旋电子注入的材料结构、过程和控制；高自旋极化率自旋电子材料；自旋电子材料的显微结构表征 科学。 www.xyzxrf.com经过五年努力，本项目不论在基础研究层面，还是在应用层面都取得丰硕的成果，已做出国际***水平的研究工作。 主要成果包括：1.系统研究自旋电子材料，获得用氧化铝为势垒层的磁性隧道结材料室温磁电阻高达80%(超过美国NVE公司报道的***高70%)；镜面反射 自旋阀室温下GMR为13%，达到***水平；探索了新型磁性半导体材料和高自旋极化率材料的新现象；用量子力学方法对一些物理问题建立相关理论。2. 在我国现有条件下，完成16×16MRAM原理芯片的研制。为***在MRAM的产业化和应用解决了基本原理、原型器件和其主要的关键技术和工艺，成为世界 上继美国、日本和韩国以后少数几个有研制MRAM和开发能力的***之一。3.研制出具有自主知识产权的磁性环形隧道结及其在新型MRAM原理型器件上的应 用，该环形隧道结采用电流驱动模式，具有环形磁路封闭漏磁小、驱动电流小、低功耗等优点，可能成为下一代MRAM的优选结构。4.发现高自旋极化率材料的 电致各向异性电阻现象，有可能成为基于新原理的信息存储器件。5.研制出有自主知识产权的新一代反铁磁材(CrMn)Pt，具有替代现有反铁磁材料的前 景；6.双势垒隧道结的研究成果，推动了磁逻辑元器件和自旋晶体管的研究。7.研制的四类磁传感器，将推动相关产业的技术进步。8.建立起自旋电子学研究 平台，成功制备出同时具有铁磁性和半导体特性的磁性超薄膜材料，实现自旋电子材料在纳米尺度下的可控生长和磁性调控。 本项目完成过程中，在国际***杂志上发表***400余篇；其中PhysicalReviewLetters3 篇；AppliedPhysicalLetters55篇；PhysicalReviewB65篇。申请专利：国际发明专利4项；中国发明和实用新型专利 49项、已经***5项；国际会议邀请报告18人次；出版专著3套。培养了一支精干的研究***。其中1人获得第九届中国青年科技奖；3人获得***自然科学杰 出青年***；6人获***百人计划；2人获得***杰出青年海外***(B)；2人获得***“跨世纪***人才”***；共培养博士后11人，博士67人、 硕士44人，国外留学生2人，***百篇******奖获得者和中科院50篇******奖获得者各1名。 项目首席科学家詹文山，毕业于中国科学技术大学物理系，研究员，博士生导师。从事磁性和磁性材料的研究工作。获1978年***科技大会奖一项，获中国科学 院科技成果一等奖一项；自然科学成果二等奖一项；三等奖三项。发表近百篇***。曾任***数理化学局副局长，物理研究所副所长，理化技术研究所所长， 物理学会磁学******会主任，非晶态******会主任，磁学******实验室主任。 课题负责人：韩秀峰：***物理研究所研究员，杰出青年***和百人计划获得者；胡安：南京大学***；颜世申：山东大学***。吴文彬：中国科学技术大学 ***；成昭华：***物理研究所研究员，杰出青年***和百人计划获得者。