起舞于電子薄膜

曹笑軒

就像地球公轉(zhuǎn)的同時也在自轉(zhuǎn)一樣，?在半導(dǎo)體芯片中，電子也在一邊圍繞原子運(yùn)動，一邊如芭蕾舞者般自我旋轉(zhuǎn)。自旋與電荷，是電子的兩個內(nèi)稟物理屬性，各有千秋。但自電子學(xué)誕生以來，科學(xué)家基本都在關(guān)注電荷的流動，而對電子的自旋知之甚少。后摩爾時代，隨著功耗增大帶來的熱壁壘和尺寸減小導(dǎo)致的量子壁壘橫亙在前，電子器件的發(fā)展遇到了阻礙。正是此時，電子的自旋特性映入人們的眼簾。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在納米級的磁性薄膜材料中，電子產(chǎn)生了一種巨磁電阻效應(yīng)，?在有無外磁場作用的兩種情況下，電阻變化很大?；谶@種電子新自由度，學(xué)界開始了對自旋電子器件的探索。自旋電子器件以電子自旋作為信息載體，通過電流或電壓進(jìn)行操控，能耗遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的電子器件，具有體積小、速度快、數(shù)據(jù)非易失性等特點，可以實現(xiàn)更高效的信息存儲、傳遞和處理，有望成為打破后摩爾時代電子器件發(fā)展兩大壁壘的重要途徑之一。2007年度諾貝爾物理學(xué)獎授予發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)的兩位物理學(xué)家，昭示著自旋電子器件的發(fā)展受到各界高度關(guān)注，有望掀起下一代信息器件的變革。

來自電子科技大學(xué)（以下簡稱“電子科大”）微電子與固體電子系的教授金立川早在十多年前就出于對未來信息器件將走向高性能、低功耗趨勢的判斷，踏上了自旋電子學(xué)的研究。一路走來，他始終秉持著“聚焦國際前沿，面向基礎(chǔ)研發(fā)，滿足應(yīng)用需求”的理念，致力于電子信息材料與器件的自主研發(fā)，在巨磁電阻器件與傳感芯片、高質(zhì)量微波單晶材料生長、半導(dǎo)體光電薄膜器件等方面，開展了許多創(chuàng)新性研究，取得了一系列重要科研成果——制備高質(zhì)量納米級微波單晶薄膜；在絕緣體基自旋器件輸運(yùn)和動力學(xué)理論和實驗方面做出了全新的發(fā)現(xiàn)，特別是提拉法生長大尺寸釓鎵石榴石單晶技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平并受到國際同行的認(rèn)可。

從走出國門學(xué)習(xí)經(jīng)驗，到做出世界先進(jìn)成果，金立川的經(jīng)歷正是中國電子材料與信息器件領(lǐng)域近些年科技迅速發(fā)展的一個縮影。面對如今頻頻出現(xiàn)的“卡脖子”難題，他說：“總有一天我們會實現(xiàn)‘彎道超車，而自旋電子器件正是這個可能的彎道。”

走近電子元器件，

聚焦自旋電子學(xué)

1956年，在周恩來總理的親自部署下，由國內(nèi)多家理工院校的電訊工程系、電訊系、無線電系等合并創(chuàng)建而成了我國第一所無限電大學(xué)，這便是今天的電子科大。金立川與電子科大的緣分從2004年就開始了，他在電子科大的校園里，完成了從本科到博士的學(xué)業(yè)，2014年畢業(yè)后，又帶著十幾項研究成果留校任教。靜靜矗立在校園一角的電子薄膜與集成器件國家重點實驗室中，處處散落著他的科研回憶。金立川的本科專業(yè)是固體電子學(xué)，其前身是建校之初就設(shè)立的無線電元器件學(xué)，專業(yè)底蘊(yùn)深厚，課程設(shè)置上偏電子材料，為他日后展開相關(guān)研究打下了扎實的基礎(chǔ)。研究生期間，他跟隨導(dǎo)師先后參加了國防預(yù)研項目、國家自然科學(xué)基金委的創(chuàng)新群體項目等，在電路與系統(tǒng)、自旋電子信息薄膜與集成器件、單晶提拉技術(shù)等方面得到了很好的鍛煉。實驗室的前輩通過傳幫帶的育人理念，引領(lǐng)、支撐著如金立川這樣的年輕一代，金立川也在學(xué)習(xí)、積累中，不斷打磨、提升著自己。

整個求學(xué)過程，金立川最為感激的人，還是自己的導(dǎo)師。“當(dāng)我有感興趣的課題，導(dǎo)師都會不遺余力地提供相關(guān)的科研條件，鼓勵我積極嘗試，哪怕錯了也沒關(guān)系?！彼洃浿校芯可A段經(jīng)常出現(xiàn)的一個場景就是，第二天馬上就要有“磁懸浮陀螺”項目的專家來驗收中期進(jìn)展了，自己在實驗室通宵調(diào)試系統(tǒng)到清晨，?熬了一宿卻還是沒有出結(jié)果。于是他急得抓耳撓腮，只好一大早等在導(dǎo)師的辦公室門口，請教解決辦法?！澳贻p的時候遇到問題總是很緊張，但每一次導(dǎo)師都沒責(zé)怪我，反而一邊自我批評，一邊安撫我的情緒。有時被期刊拒稿了，導(dǎo)師也總是說，?這很正常，再努力就是了?！边@種鼓勵為主并盡可能提供支持資源的培養(yǎng)方式，?給了金立川一次次戰(zhàn)勝挫折的勇氣和信心。多年以后，當(dāng)他自己也成為一名導(dǎo)師后，他更加明白了這種對年輕人的失敗的包容，是多么可貴。

在電子信息材料領(lǐng)域，單晶材料堪比皇冠上的寶石，技術(shù)難度非常大，烏克蘭的功勛科學(xué)家曾專程過來進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)。金立川非常珍惜學(xué)習(xí)的機(jī)會，仔仔細(xì)細(xì)記下一堆筆記。有一次，烏克蘭專家回國了，導(dǎo)師讓他試試，看能不能獨(dú)立完成一次單晶提拉。金立川接到任務(wù)時壓力很大，他在心里審慎地計算著：這個任務(wù)需要費(fèi)1周左右時間，其中最關(guān)鍵的是前3天。這個階段，要將結(jié)晶物質(zhì)材料在坩堝中熔化，通過不斷提拉，使晶體生長。過程里絕不能出錯，否則一坩堝幾十萬元的材料就白費(fèi)了。于是，為了保證萬無一失，他每隔10分鐘就要爬上梯子去看一下熔煉爐里單晶晶體的生長情況，三天三夜沒敢睡覺。后來，他感嘆道：“那時確確實實是每一步都嚴(yán)格按照筆記記錄的步驟在執(zhí)行。而且，最后真的獨(dú)立完成了這個實驗，直到今天，這依然是我非常寶貴的一個科研經(jīng)歷?！?/p>

2011年，基于優(yōu)異的表現(xiàn)，金立川入選電子科技大學(xué)優(yōu)博培育計劃，兩年后他前往美國特拉華大學(xué)自旋電子與生物探測中心訪問。在特拉華大學(xué)的一年多年時間里，可以說是金立川科研生涯中一個備受啟發(fā)的關(guān)鍵期。與出國前他想象的不同，?自旋電子與生物探測中心的研究者并不是喝著咖啡輕松自在地做研究。事實上，他們每個人的科研訓(xùn)練強(qiáng)度都非常大，設(shè)備24小時連軸運(yùn)轉(zhuǎn)。最令金立川感嘆的是，?學(xué)生敢于挑戰(zhàn)權(quán)威，老師也一再教導(dǎo)學(xué)生，要有質(zhì)疑有討論，這樣才能碰撞出新想法。

同時，研究中心的人學(xué)術(shù)背景五花八門，大家取長補(bǔ)短，交叉合作，整個團(tuán)隊的氛圍、科研思路的設(shè)計，令金立川大開眼界?！爱?dāng)時，我的外國導(dǎo)師是研究自旋電子的，他和生物學(xué)領(lǐng)域的專家進(jìn)行了交叉合作，將電子傳感器用于測試細(xì)胞的DNA。甚至他還想做微納米機(jī)器人，將機(jī)器人設(shè)計成膠囊，吞到肚子里去捕捉一些身體的信息?！比缃襁@樣的設(shè)計已不算新鮮事，但是大約10年前，國內(nèi)對此的研究卻尚屬空白。初出國門，金立川深深感受到了中國與世界的差距。他心里萌生出，要做出國際水平的研究一定要緊跟國際前沿的想法，他下定決心，回國后務(wù)必要在自旋電子領(lǐng)域提前布局。

從引進(jìn)到自主研發(fā)，

更低功耗更輕薄

近年來，金立川主研了國家重點研發(fā)計劃“量子信息與量子調(diào)控”專項——自旋波電子學(xué)物理、材料與器件。自旋波是磁性材料中磁矩的集體激發(fā)，可以低耗散地長距離傳播。由于自旋波的特點，利用其進(jìn)行信息處理的新型信息架構(gòu)將具有低能耗、可重寫、高頻率等獨(dú)特的優(yōu)點。在自旋波物理、材料和器件上的突破將有可能催生低能耗、可重寫、高頻率的自旋波計算機(jī)的誕生。作為一項前沿研究，他帶領(lǐng)團(tuán)隊自2016年至2021年，歷經(jīng)5年結(jié)題，取得了顯著成果。

“我們把之前的微米級單晶做成了納米級磁性單晶。想要通過量子信息調(diào)控粒子行為，就需要把薄膜做得很小，同時還要具備非常低的磁性阻尼，這是一個國際性難題，而我們突破了它，實現(xiàn)了自旋波在晶體中傳輸距離更遠(yuǎn)的目標(biāo)?！?年攻關(guān)，通過改良液相外延的熔體配方，他帶領(lǐng)團(tuán)隊發(fā)展了一系列新的釔鐵石榴石（YIG）晶體生長技術(shù)，獲得了四英寸、三英寸等百納米厚度的YIG單晶材料，完成了自旋波的激發(fā)、探測和器件的研制。

其實，起初投入“量子信息與量子調(diào)控”專項時，金立川的目標(biāo)是想做類似電荷型晶體管的自旋波晶體管研究，并以此代替電荷型晶體管。但由于專項資助時間只有5年，所以未及完成。后來專項結(jié)束，他趁熱打鐵，帶頭申請了國家自然基金項目并獲批。近期，金立川團(tuán)隊研發(fā)出了全球第一個多功能自旋波晶體管，國際期刊《先進(jìn)功能材料》已經(jīng)刊登了相關(guān)研究成果?！霸谶@項研究中，從設(shè)計思路到器件制備，再到功能測試，我們?nèi)繉崿F(xiàn)了自主研發(fā)，相關(guān)專利全部是自主專利。未來，要面向下一代量子信息核心材料與器件，自主研發(fā)是必由之路?！彼麍远ǖ卣f道。

MRAM是一種非易失性（Non-Volatile）的磁性隨機(jī)存儲器。它擁有靜態(tài)隨機(jī)存儲器（SRAM）的高速讀取寫入能力，以及動態(tài)隨機(jī)存儲器（DRAM）的高集成度，而且基本上可以無限次地重復(fù)寫入。在近期發(fā)表在《先進(jìn)科學(xué)》（Advanced?Science）上的研究文章顯示，金立川團(tuán)隊通過對重金屬Pt自旋霍爾效應(yīng)外稟機(jī)制的調(diào)節(jié)，發(fā)展出兼具巨大自旋霍爾角、低電阻率和COMS工藝兼容等優(yōu)點的新型Pt-TiO2納米復(fù)合薄膜材料，并基于這一材料制備了高效率和低功耗的自旋軌道力矩器件。據(jù)了解，這是目前在室溫下獲得的世界最高水平的自旋霍爾角納米復(fù)合材料之一，相關(guān)研究為巨自旋霍爾材料的研究提供了一條新的路徑。金立川補(bǔ)充解釋道：“近年來，基于自旋軌道力矩（SOT）效應(yīng)的新型MRAM、邏輯器件及高頻器件受到國際廣泛關(guān)注，包括英特爾、三星等企業(yè)紛紛投入巨資研發(fā)SOTMRAM器件。我們的研究就是要突破國外這些器件廠商的技術(shù)壟斷，用國人自主研發(fā)的技術(shù)來裝備我們航天航空等領(lǐng)域一些關(guān)鍵部件里的存儲器芯片。學(xué)校有技術(shù)，企業(yè)有生產(chǎn)線，聯(lián)合攻關(guān)，互相驗證，是一種很好的合作方式?！?/p>

不懈追趕世界前沿，

矢志突破“卡脖子”

2019年，繼獲得四川省科技進(jìn)步獎一等獎后，團(tuán)隊又?jǐn)孬@了國防技術(shù)發(fā)明獎一等獎。相關(guān)研究基于此前研發(fā)的單晶材料突破了通信系統(tǒng)中信號源的平面化、集成化、寬帶化等難點，將體型信號源小球利用薄膜技術(shù)制成二維平面，實現(xiàn)了使信號源體積更小、整個裝備重量更輕的目標(biāo)。除此之外，在一些“卡脖子”的核心關(guān)鍵技術(shù)上，金立川同電子薄膜與集成器件國家重點實驗室的同事進(jìn)行了大量協(xié)作攻關(guān)，相關(guān)專利技術(shù)發(fā)明和轉(zhuǎn)讓多達(dá)30余項，并成功孵化出一家高新技術(shù)企業(yè)，生產(chǎn)的傳感器、信號源等產(chǎn)品供國內(nèi)多家單位推廣應(yīng)用。

如今，雖然已研發(fā)出全球第一個多功能自旋波晶體管，但是金立川并不滿足。他說：“微米級的多功能自旋波晶體管尺寸仍然比較大，我們最終要實現(xiàn)的是納米量級。所以，要真正代替現(xiàn)有的電荷型微電子晶體管，還有很長的路要走。未來，一旦能夠突破這一技術(shù)難關(guān)，相信在整個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)彎道超車不是一句空話。我們可以利用自旋波信息器件或量子器件來代替電荷型的微電子器件，不失為一種突破集成電路‘卡脖子難題的有效手段。從長遠(yuǎn)來說，人類必將走向量子信息?！?/p>

把論文寫在祖國大地上，產(chǎn)學(xué)研聯(lián)動做科研，讓技術(shù)真正服務(wù)于國內(nèi)市場，這是金立川長期以來的心愿?！拔蚁Ｍ幸惶?，我們不再因為技術(shù)跟不上而去進(jìn)口國外的高端科技產(chǎn)品?！币虼?，在接下來，他會充分利用校企聯(lián)合實驗的廣闊平臺，攻克存儲器芯片的產(chǎn)業(yè)化問題，推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。此外，聚焦量子信息、思考支撐6G通信的磁性元器件，以及瞄準(zhǔn)更低能耗的磁性材料，都是他想要致力的?！坝绕?G通信的磁性元器件，目前在國際上一片空白，誰占領(lǐng)了這個制高點，誰就掌握了下一個時代的話語權(quán)。”10年、20年、30年，金立川說，人生還長，他希望自己能夠在這些方向，盡可能盡一份力。哪怕自己不能夠?qū)崿F(xiàn)，還有一代又一代的學(xué)生。前赴后繼，從奮起直追到齊頭并進(jìn)，只要不懈向前，總有一天會實現(xiàn)超越。

（責(zé)編：王芳）