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自旋电子材料物理及器件研制取得丰硕成果
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科技日报2007年1月18日讯 中国科学院物理研究所承担的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。本项目选择最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最快最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。 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，已做出国际一流水平的研究工作。 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公司报道的最高70％)；镜面反射自旋阀室温下GMR为13％，达到国际先进水平；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。为国家在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和开发能力的国家之一。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，在国际著名杂志上发表论文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、已经授权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队伍。其中1人获得第九届中国青年科技奖；3人获得国家自然科学杰出青年基金；6人获中国科学院百人计划；2人获得国家杰出青年海外基金(B)；2人获得教育部“跨世纪优秀人才”基金；共培养博士后11人，博士67人、硕士44人，国外留学生2人，全国百篇优秀论文奖获得者和中科院50篇优秀论文奖获得者各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年全国科技大会奖一项，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。发表近百篇论文。曾任中国科学院数理化学局副局长，物理研究所副所长，理化技术研究所所长，物理学会磁学专业委员会主任，非晶态专业委员会主任，磁学国家重点实验室主任。 课题负责人：韩秀峰：中国科学院物理研究所研究员，杰出青年基金和百人计划获得者；胡安：南京大学教授；颜世申：山东大学教授。吴文彬：中国科学技术大学教授；成昭华：中国科学院物理研究所研究员，杰出青年基金和百人计划获得者。 |
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