起舞于電子薄膜

曹笑軒

就像地球公轉的同時也在自轉一樣，?在半導體芯片中，電子也在一邊圍繞原子運動，一邊如芭蕾舞者般自我旋轉。自旋與電荷，是電子的兩個內稟物理屬性，各有千秋。但自電子學誕生以來，科學家基本都在關注電荷的流動，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致的量子壁壘橫亙在前，電子器件的發展遇到了阻礙。正是此時，電子的自旋特性映入人們的眼簾。

科學家發現，在納米級的磁性薄膜材料中，電子產生了一種巨磁電阻效應，?在有無外磁場作用的兩種情況下，電阻變化很大。基于這種電子新自由度，學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，通過電流或電壓進行操控，能耗遠低于傳統的電子器件，具有體積小、速度快、數據非易失性等特點，可以實現更高效的信息存儲、傳遞和處理，有望成為打破后摩爾時代電子器件發展兩大壁壘的重要途徑之一。2007年度諾貝爾物理學獎授予發現巨磁電阻效應的兩位物理學家，昭示著自旋電子器件的發展受到各界高度關注，有望掀起下一代信息器件的變革。

來自電子科技大學（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，踏上了自旋電子學的研究。一路走來，他始終秉持著“聚焦國際前沿，面向基礎研發，滿足應用需求”的理念，致力于電子信息材料與器件的自主研發，在巨磁電阻器件與傳感芯片、高質量微波單晶材料生長、半導體光電薄膜器件等方面，開展了許多創新性研究，取得了一系列重要科研成果——制備高質量納米級微波單晶薄膜；在絕緣體基自旋器件輸運和動力學理論和實驗方面做出了全新的發現，特別是提拉法生長大尺寸釓鎵石榴石單晶技術達到國際先進水平并受到國際同行的認可。

從走出國門學習經驗，到做出世界先進成果，金立川的經歷正是中國電子材料與信息器件領域近些年科技迅速發展的一個縮影。面對如今頻頻出現的“卡脖子”難題，他說：“總有一天我們會實現‘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

1956年，在周恩來總理的親自部署下，由國內多家理工院校的電訊工程系、電訊系、無線電系等合并創建而成了我國第一所無限電大學，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業，2014年畢業后，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。金立川的本科專業是固體電子學，其前身是建校之初就設立的無線電元器件學，專業底蘊深厚，課程設置上偏電子材料，為他日后展開相關研究打下了扎實的基礎。研究生期間，他跟隨導師先后參加了國防預研項目、國家自然科學基金委的創新群體項目等，在電路與系統、自旋電子信息薄膜與集成器件、單晶提拉技術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、支撐著如金立川這樣的年輕一代，金立川也在學習、積累中，不斷打磨、提升著自己。

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

在電子信息材料領域，單晶材料堪比皇冠上的寶石，技術難度非常大，烏克蘭的功勛科學家曾專程過來進行技術指導。金立川非常珍惜學習的機會，仔仔細細記下一堆筆記。有一次，烏克蘭專家回國了，導師讓他試試，看能不能獨立完成一次單晶提拉。金立川接到任務時壓力很大，他在心里審慎地計算著：這個任務需要費1周左右時間，其中最關鍵的是前3天。這個階段，要將結晶物質材料在坩堝中熔化，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格按照筆記記錄的步驟在執行。而且，最后真的獨立完成了這個實驗，直到今天，這依然是我非常寶貴的一個科研經歷。”

2011年，基于優異的表現，金立川入選電子科技大學優博培育計劃，兩年后他前往美國特拉華大學自旋電子與生物探測中心訪問。在特拉華大學的一年多年時間里，可以說是金立川科研生涯中一個備受啟發的關鍵期。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練強度都非常大，設備24小時連軸運轉。最令金立川感嘆的是，?學生敢于挑戰權威，老師也一再教導學生，要有質疑有討論，這樣才能碰撞出新想法。

同時，研究中心的人學術背景五花八門，大家取長補短，交叉合作，整個團隊的氛圍、科研思路的設計，令金立川大開眼界。“當時，我的外國導師是研究自旋電子的，他和生物學領域的專家進行了交叉合作，將電子傳感器用于測試細胞的DNA。甚至他還想做微納米機器人，將機器人設計成膠囊，吞到肚子里去捕捉一些身體的信息。”如今這樣的設計已不算新鮮事，但是大約10年前，國內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，回國后務必要在自旋電子領域提前布局。

從引進到自主研發，

更低功耗更輕薄

近年來，金立川主研了國家重點研發計劃“量子信息與量子調控”專項——自旋波電子學物理、材料與器件。自旋波是磁性材料中磁矩的集體激發，可以低耗散地長距離傳播。由于自旋波的特點，利用其進行信息處理的新型信息架構將具有低能耗、可重寫、高頻率等獨特的優點。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的誕生。作為一項前沿研究，他帶領團隊自2016年至2021年，歷經5年結題，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，實現了自旋波在晶體中傳輸距離更遠的目標。”5年攻關，通過改良液相外延的熔體配方，他帶領團隊發展了一系列新的釔鐵石榴石（YIG）晶體生長技術，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、探測和器件的研制。

其實，起初投入“量子信息與量子調控”專項時，金立川的目標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，金立川團隊研發出了全球第一個多功能自旋波晶體管，國際期刊《先進功能材料》已經刊登了相關研究成果。“在這項研究中，從設計思路到器件制備，再到功能測試，我們全部實現了自主研發，相關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，自主研發是必由之路。”他堅定地說道。

MRAM是一種非易失性（Non-Volatile）的磁性隨機存儲器。它擁有靜態隨機存儲器（SRAM）的高速讀取寫入能力，以及動態隨機存儲器（DRAM）的高集成度，而且基本上可以無限次地重復寫入。在近期發表在《先進科學》（Advanced?Science）上的研究文章顯示，金立川團隊通過對重金屬Pt自旋霍爾效應外稟機制的調節，發展出兼具巨大自旋霍爾角、低電阻率和COMS工藝兼容等優點的新型Pt-TiO2納米復合薄膜材料，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合材料之一，相關研究為巨自旋霍爾材料的研究提供了一條新的路徑。金立川補充解釋道：“近年來，基于自旋軌道力矩（SOT）效應的新型MRAM、邏輯器件及高頻器件受到國際廣泛關注，包括英特爾、三星等企業紛紛投入巨資研發SOTMRAM器件。我們的研究就是要突破國外這些器件廠商的技術壟斷，用國人自主研發的技術來裝備我們航天航空等領域一些關鍵部件里的存儲器芯片。學校有技術，企業有生產線，聯合攻關，互相驗證，是一種很好的合作方式。”

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步獎一等獎后，團隊又斬獲了國防技術發明獎一等獎。相關研究基于此前研發的單晶材料突破了通信系統中信號源的平面化、集成化、寬帶化等難點，將體型信號源小球利用薄膜技術制成二維平面，實現了使信號源體積更小、整個裝備重量更輕的目標。除此之外，在一些“卡脖子”的核心關鍵技術上，金立川同電子薄膜與集成器件國家重點實驗室的同事進行了大量協作攻關，相關專利技術發明和轉讓多達30余項，并成功孵化出一家高新技術企業，生產的傳感器、信號源等產品供國內多家單位推廣應用。

如今，雖然已研發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，我們最終要實現的是納米量級。所以，要真正代替現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難關，相信在整個領域實現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。從長遠來說，人類必將走向量子信息。”

把論文寫在祖國大地上，產學研聯動做科研，讓技術真正服務于國內市場，這是金立川長期以來的心愿。“我希望有一天，我們不再因為技術跟不上而去進口國外的高端科技產品。”因此，在接下來，他會充分利用校企聯合實驗的廣闊平臺，攻克存儲器芯片的產業化問題，推動相關產業快速發展。此外，聚焦量子信息、思考支撐6G通信的磁性元器件，以及瞄準更低能耗的磁性材料，都是他想要致力的。“尤其6G通信的磁性元器件，目前在國際上一片空白，誰占領了這個制高點，誰就掌握了下一個時代的話語權。”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。哪怕自己不能夠實現，還有一代又一代的學生。前赴后繼，從奮起直追到齊頭并進，只要不懈向前，總有一天會實現超越。

（責編：王芳）