創新突破氧化物自旋電子新體系

杜月嬌

在地球這顆藍色星球的地殼深處，99%的物質都是以氧化物的形式存在，所以氧化物在人類的日常生活中比比皆是：隨處可見的玻璃、海灘邊的石頭、被風吹起的沙子等。而氧的獨特之處在于，它作為一種活性元素，很容易在與其他元素原子結合的過程中捕獲多個電子，從而在原子間建立非常強的局域電場。

這種超強電場，能夠帶來各種各樣的電子強關聯效應，并最終使人類在氧化物界面上觀測到豐富的物理現象。特別是在量子力學創立之后，氧化物的神秘面紗被慢慢揭開，氧化物材料也迎來飛速發展的時期。

2004年，哈羅德·Y.黃（Harold?Y.?Hwang）在過渡金屬鈣鈦礦型氧化物鋁酸鑭/鈦酸鍶（LaAlO3/SrTiO3）材料界面研究上取得了突破性的進展——界面二維電子氣被發現。這一發現，猶如煙花劃過漆黑的夜空，將過渡金屬鈣鈦礦型氧化物材料界面上的神奇物性展現在人類面前。這樣的發現也吸引著北京航空航天大學集成電路科學與工程學院副教授張慧，她期待著能闡明其中的原理，挖掘更多的新材料，為“后摩爾時代”超低功耗集成電路的關鍵技術提供助力。

驚人的新發現

2016年，博士一年級的張慧開始開展氧化物界面輸運性質相關的課題。“這個課題非常有意思，當兩個絕緣的氧化物組合在一起的時候，它們的界面是導電的，甚至在低溫下可實現二維超導。”她說這個新奇的現象被概括為“界面就是器件”。從2004年Harold?Y.?Hwang發現二維電子氣至今，這一領域經過了十多年的發展，研究日趨成熟。“我讀了許多文獻，發現過去的研究主要集中在3d過渡金屬氧化物SrTiO3體系，如果將SrTiO3替換掉，會不會出現新的有意思的現象呢？”張慧抱著這樣的想法，開始了她的研究。

鉭酸鉀（KTaO3）具有很多與SrTiO3相似的物理特性，但5d氧化物KTaO3具有更大的自旋-軌道耦合，而自旋-軌道耦合是實現電對磁調控非常有潛力的一種手段，從這個角度出發KTaO3更具優勢。張慧最終選擇了用5d過渡金屬氧化物KTaO3取代SrTiO3，結果是令人驚喜的。“我們首先發現了基于KTaO3界面優異的導電性和強自旋-軌道耦合特性，更重要的是利用電場、磁場、光場多種物理場協同調控可實現5d氧化物界面自旋-軌道耦合的極大增強，揭示了關聯電子體系自旋態自主設計與高效調控的新機理。”這也是張慧在博士研究期間最重要的發現，而她并沒有滿足，她清醒地思考著，這個新體系的超導電性與傳統LaAlO3/SrTiO3體系有什么不同呢？

張慧所在的課題組一直致力于新型5d氧化物KTaO3異質界面二維電子氣的構建及其物性調控，也是國際上最早開展KTaO3界面超導研究的小組之一。2021年2月，美國阿貢國家實驗室劉長江（C.?J.?Liu）等人在《科學》（Science）雜志報道了氧化銪/鉭酸鉀（EuO/KTaO3）（111）界面的二維超導電性，發現新型5d氧化物KTaO3界面超導表現更加搶眼，其超導轉變溫度比SrTiO3體系提升了一個數量級。結合前期實驗中發現的電場調控特性，張慧與浙江大學的合作者開展了KTaO3界面超導的電場調控實驗。2021年5月14日，《電場控制LaAlO3/KTaO3（111）界面超導》在《科學》上線。論文的共同第一作者為張慧和浙江大學物理系博士生陳崢、劉源，共同通訊作者是浙江大學物理學系研究員謝燕武，中國科學院物理研究所研究員孫繼榮和周毅。“讓人為之振奮的是，可以像調控半導體器件那樣，用電壓連續調控LaAlO3/KTaO3界面的導電性質：隨著門電壓的變化，它呈現了從超導到絕緣體的連續轉變。”張慧開心地說道。

深挖一口井，創新無止境。在研究KTaO3體系的近7年時間里，張慧從中國科學院物理研究所初出茅廬的博士生成長為能獨當一面的北京航空航天大學副教授，她完成了一場完美的蛻變。

絕佳的實踐課堂

2021年12月，張慧正式博士后出站，入職北京航空航天大學，擔任集成電路科學與工程學院副教授。成為教師之后的她，在科研之外，關注起了如何更好地培養學生。

“目前，我國集成電路領域人才缺口高達40萬人，高層次人才尤其匱乏，如何致力于培養集成電路行業緊缺的高質量人才，將會是我未來很長一段時間的重點教學工作。”在教育教學方面，張慧擔任“芯片加工技術入門”課程的主講老師，這門課程是面向全校本科生開設的一門通識實驗課程，課程特色是讓本科生走進實驗室，依托校級智能微納公共創新中心的百級超凈環境、先進設備和微納加工技術，開展薄膜沉積、光刻、刻蝕等工藝實踐。在課程學習的過程中，同學們不僅能深度體驗自旋傳感芯片從設計到制造的全過程，獲得微納米加工制造工藝設備操作經驗，而且還能獲得自己設計并制造的一枚帶有自己姓名的芯片。此課程的理念正是人人設計芯片，人人規劃工藝路線，人人實操制造芯片，致力于培養集成電路產業工程實踐型一流人才。

在人才培養方面，張慧積極帶領團隊研究生面向國家重大需求的自旋存儲芯片關鍵核心技術開展研究，營造創新研究學術氛圍，組織學生進行開放式專題研討，使學生能夠掌握本研究領域國內外發展動態，瞄準國際學術前沿，不斷提升自身獨立科學研究的能力，并啟發學生將基礎理論研究應用于產業實踐，以實際行動投身于集成電路“卡脖子”問題攻關。

“老師肩負著培養下一代的重要責任。我的目標是成為有理想信念、有道德情操、有扎實學識、有仁愛之心的‘四有好老師。”張慧堅定地說道。她深切感受到北京航空航天大學“空天報國”的紅色基因，在與學生指導交流時，主動激發學生對集成電路領域的熱愛，引導學生將個人價值與國家重大需求相融合，培養新時代青年的責任心和使命感。

堅持不懈地前行

北京航空航天大學出色的實驗室條件讓張慧堅定了對未來科學研究的信心，讓她沒有后顧之憂地繼續沿著既往的研究道路走下去，并把個人的科研方向與國家發展的戰略需求相結合。她沒有任何猶豫地加入了趙巍勝教授的團隊，趙巍勝教授團隊中所有人對待科學研究分工明確、一絲不茍和追求卓越的態度，讓她感受到了有組織的科研攻關，受益匪淺。

特別是趙巍勝教授聚焦產業發展和供應鏈安全的“卡脖子”難題，致力于實現集成電路工藝裝備自主可控，打破歐美等國的長期壟斷，更是讓張慧感到格外難得。“趙老師非常有情懷，大力支持我國領軍企業自主裝備供應鏈建設，打造集成電路國產裝備驗證平臺，所以我們實驗室有很多國產首臺套設備，我也非常期待國產裝備在不久的將來能夠實現新突破。”

面對未來，張慧深知自旋電子學是構建“后摩爾時代”超低功耗集成電路的關鍵技術，特別是自旋軌道轉矩（SOT）的發現有望實現高速及高可靠性的數據存儲，具有廣泛應用前景。她所研究的5d氧化物KTaO3界面二維電子氣能夠實現高效的電荷-自旋轉換，這對于發展基于關聯電子氧化物界面的新型自旋電子學器件具有重要意義。她說：“研究永無止境，還有許多科學問題等待我去解答，所以我要更加堅定地走下去，為中國自旋電子學的發展貢獻力所能及的力量。”

（責編：蘇寒山）