倪海波

Intel創(chuàng)始人之一的戈登·摩爾在1965年做出預測：集成電路上可容納的晶體管數(shù)量每18～24個月就會翻一番，這被稱為摩爾定律。但是，近年來由于結構、材料和量子效應等多方面因素的制約，集成電路發(fā)展正在趨向瓶頸。摩爾定律正在走向終結，人類社會也將進入“后摩爾時代”，如何通過新材料、新結構、新原理器件的研究與開發(fā)，進一步推動集成電路的發(fā)展，是相關科研工作者不斷探索的目標。

中國科學院物理研究所副研究員鄧正就是其中一位，他研究的磁性半導體將長期以來獨立發(fā)展的半導體與磁性材料融合，是集開發(fā)運算、存儲和通信為一體的新一代信息器件的載體，被認為是破解后摩爾時代難題的最佳途徑之一。

后摩爾時代的瓶頸

鄧正畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學材料物理專業(yè)。隨后他在中國科學院物理研究所攻讀博士學位，師從材料科學研究專家靳常青教授，開展超導、磁性半導體等磁電功能材料領域的研究。人們耳熟能詳?shù)陌雽w構成了現(xiàn)代信息技術的基礎，集成電路、芯片等都是以半導體為基礎呈現(xiàn)迅猛發(fā)展的態(tài)勢，但是以半導體為基礎的信息技術有一個缺陷等待著科學家們解決?！半娮映穗姾蓪傩酝?，還有自旋屬性。但是現(xiàn)在的技術對信息處理采用的是電荷屬性，其自旋屬性在集成電路里并沒有得到有效的運用?！编囌忉尩馈榱私鉀Q這個問題，前人已經對半導體提出新的設想：是否可以在普通的半導體中，摻雜少量的磁性離子，使得半導體不僅可以運用電子的電荷屬性進行信息處理，還能利用磁性離子的自旋來進行信息的存儲。這種摻雜了磁性離子的半導體，在學界被稱為“磁性半導體”?！叭藗兗南Ｍ诖判园雽w可以將信息存儲和信息處理結合在一起，提高效率，形成一種新的技術?！编囌f，現(xiàn)在已經進入了后摩爾時代，磁性半導體的出現(xiàn)可以對信息存儲、處理、傳導的方式產生革新，為破解后摩爾時代難題提供一種新思路。博士期間，由于在稀磁半導體材料方面的突出成績，鄧正榮獲“北京市優(yōu)秀畢業(yè)生”稱號和中國科學院院長獎優(yōu)秀獎。

突破磁性半導體的困境

傳統(tǒng)的磁性半導體中，III-V族的(Ga,Mn)As是標桿式的材料。鄧正及團隊在研究過程中發(fā)現(xiàn)了(Ga,Mn)As居里溫度很難往上升高的原因：首先，Ga是+3價，Mn是+2價，Mn的不等價摻雜使其含量難以有效提高，這既使得材料性能對生長工藝極為敏感，又阻礙了材料居里溫度的提升。其次，Mn的不等價摻雜同時引入了自旋和電荷兩種屬性，電荷和自旋摻雜是捆綁在一起的，這種捆綁使得材料的載流子濃度和類型難以單獨調控，導致理論模型構建困難，難以得到一個普適性的物理圖像。這些難題成為制約(Ga,Mn)As等III-V體系的磁性半導體進一步走向實用化的主要瓶頸。

鄧正

為了破解上述困境，靳常青教授帶領鄧正和所在研究團隊設計并發(fā)現(xiàn)了電荷與自旋摻雜分離的新型稀磁半導體Li(Zn,Mn)As，其中Zn是+2價的，Mn也是+2價的，通過等價磁性元素引入自旋，再通過非磁性元素Li摻雜引入電荷，從而實現(xiàn)了電荷與自旋摻雜機制的分離，使得材料的載流子濃度和類型不再難以單獨調控，并且所有材料均能以穩(wěn)定的體材料形式制備，從而克服了(Ga,Mn)As的主要瓶頸。Li(Zn,Mn)As這一系列材料被(Ga,Mn)As的開拓者T.Ditel和H.Ohno教授列為稀磁半導體的新體系，即Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族稀磁半導體。它一方面可以為利用半導體器件中電子的自旋自由度提供新的機會，有望帶來信息技術的重大變革；另一方面，它突破了傳統(tǒng)磁性半導體存在的瓶頸。這個發(fā)現(xiàn)是2016年度鄧正所在的靳常青教授研究團隊榮獲國家自然科學獎二等獎項目——“磁電演生新材料及高壓調控的量子序”的主要成果之一。Li(Zn,Mn)As與另一主要成果“111”型鐵基超導體也有著緊密的聯(lián)系。靳常青教授團隊率先發(fā)現(xiàn)并命名了以LiFeAs為代表的“111”型鐵基超導體，并獲得國內外同行的廣泛關注。而Li(Zn,Mn)As是LiFeAs在材料組分上的拓展和延伸，鄧正在“111”型鐵基超導與新型稀磁半導體兩個研究領域均做出了重要貢獻。

其后，鄧正所在團隊在自旋、電荷分別摻雜的新機制基礎上，發(fā)現(xiàn)了具有層狀結構的新型稀磁半導體材料(Ba,K)(Zn,Mn)2As2（簡稱BZA）?！袄碚撋?，壓力可以增加稀磁半導體的帶寬并減小能隙，從而增加載流子濃度及巡游性，一般而言這將增加其居里溫度。”團隊從材料設計角度引入化學內壓，即用Ba取代Li，得到了BZA，其居里溫度達230K，超過了(Ga,Mn)As材料200k可控居里溫度的紀錄。同時BZA擁有與之晶格匹配的多種功能材料，比如BZA與“122”型鐵基超導體(Ba,K)Fe2As2、反鐵磁體BaMn2As2同構且晶格失配度小于5%，它們之間可以構成安德烈夫反射結、磁隧道結、交換偏置結等多種多組分異質結，這將有可能引發(fā)新物理現(xiàn)象，實現(xiàn)新功能。團隊關于BZA的主要研究成果“高居里溫度稀磁半導體材料的發(fā)現(xiàn)及基本性能研究”榮獲2018年度中國材料研究學會科學技術獎一等獎?；谶@些優(yōu)異特性，電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）發(fā)布的“面向自旋電子學應用的演生材料路線圖”推薦BZA為該領域重點研究的材料，指出“未來15年內磁性半導體的發(fā)展應該是基于BZA的室溫鐵磁性突破及同結構多組分異質結器件研制”。

“我們希望新材料能往前走得更遠，畢竟從做出新材料到實際運用還有相當距離，對于電荷與自旋分離的新型稀磁半導體材料而言，面臨著兩項重要的任務：一是進一步提高可控居里溫度，室溫以上的鐵磁性是實用化的必要條件之一；另一個是把異質結器件的研制和應用往前推進，這可以為實際應用做好技術鋪墊?！编囌缡钦f。

朝著未來邁進

壓力與溫度、化學組分并列為決定物質狀態(tài)的3個基本參量。材料在足夠高的壓力下可以呈現(xiàn)豐富的功能演化，對稀磁半導體而言，高壓可能是增強其鐵磁性的有效途徑之一。鄧正所在的研究團隊，長期研究高壓為主的極端條件，對材料的物性調控，在多種超導、拓撲及磁性材料上獲得了優(yōu)異的性能。如前文所述，提升現(xiàn)有稀磁半導體的居里溫度是領域的核心問題之一，鄧正和所在團隊已經利用高壓對稀磁半導體開展了研究，并初見成效。他們觀察到壓力對居里溫度的高效調控，并發(fā)現(xiàn)保持晶體結構中核心基元的理想構型是提升居里溫度的重要前提。

除了自己的不懈堅持，恩師的幫助也是鄧正十余年科研的關鍵詞。靳常青教授有著三十余年從事高壓極端條件材料科學研究的經驗，他實現(xiàn)了高壓極端條件材料制備和表征技術的突破，在功能材料設計研制領域有著系統(tǒng)性的創(chuàng)新貢獻，他的指導讓鄧正受益匪淺。靳常青教授一直引導著鄧正向磁性半導體領域深入探索，他嚴格的要求、嚴謹?shù)目蒲袘B(tài)度和無微不至的關懷照顧，也讓鄧正感動不已。鄧正說，靳常青教授讓他感覺到一個科研工作者就應該是這樣的，導師的科研精神體現(xiàn)在日常的每一件小事上。靳常青教授積極引薦他和稀磁領域的知名學者交流學習，比如和我國最早開展稀磁半導體材料研究的學者之一的中國科學院半導體所的趙建華研究員等同行進行合作討論，豐富了他對稀磁半導體材料的認識。

2020年，鄧正入選中國科學研究院青年促進會。在青促會的支持下，成員可以擁有更大的自由探索空間，這對基礎研究領域的科研人員有很大幫助。這一年，鄧正入選北京市科技新星計劃，研究主題是“極端條件下的新型磁電耦合材料”。在這兩個人才項目的支持下，他將踏上新的征程，在新型稀磁半導體Li(Zn,Mn)As和BZA的研究工作基礎上，進一步提高材料居里溫度，并發(fā)展基于這些材料的同結構異質結器件，為材料的實際應用做好技術儲備。

他說，尋找新材料是材料科學探索的永恒主題，稀磁半導體是突破摩爾定律瓶頸的理想材料之一，是獲得更高居里溫度和優(yōu)異磁、電性能的有效途徑之一，其研究意義不言而喻。迄今為止國內外對新型稀磁半導體的研究仍大多集中在探索多晶形態(tài)新材料的階段，對材料的物性和機制的研究剛剛起步，得到的有限結果尚不足以形成完備的理論體系。“我們希望通過開發(fā)新的材料，提高新型磁性半導體的居里溫度，為本領域注入新的活力，開辟一個新的方向。也許就在不遠的將來，我們能研制出包含低功耗、超高速的搜索引擎，云計算、大容量的網絡存儲和數(shù)據(jù)存儲等信息處理技術的異質結器件?！?/p>