北航集成电路科学与工程学院新型自旋电子器件研究入选《Science Bulletin》读者关注TOP10

近日，《科学通报》（Science Bulletin）发布了2022年发文读者关注TOP10，北航集成电路科学与工程学院赵巍胜教授团队的新型自旋电子器件研究入选。该工作在国际上首次实现室温斯格明子隧道结器件，在众多学科中成为集成电路及电子领域唯一入选的论文。本次评选基于全球最大的电子资源数据库SicenceDirect平台数据。

Science Bulletin由中国科学院和国家自然科学基金委员会共同主办，位居全球73种多学科综合类期刊第5位，致力于打造中国乃至世界的科学家高水平学术交流平台，最新影响因子为20.577。

伴随人工智能、大数据等技术的兴起，传统冯·诺依曼计算架构中存储与计算分离的瓶颈问题日益凸显。与此同时，电子器件微缩不断接近物理极限，新型电子器件成为了研究热点。自旋电子器件具备非易失、低功耗、高性能等优点，被认为是解决“后摩尔”时代集成电路功耗瓶颈的重要技术。

8英寸自旋芯片

赵巍胜教授团队一直致力于解决信息器件研究中的关键核心问题，深入研究了自旋信息器件在数据读取、数据写入和数据传输方面的新机制、新应用，取得了多项具有国际影响力的代表性前沿成果：

（1）提出并实验验证了自旋轨道矩（SOT）与 自旋转移矩（STT）协同翻转机制，使垂直磁隧道结的写入功耗被显著降低至 0.1 pJ/bit [1]；

（2）利用自旋轨道矩（SOT）实现了反铁磁/铁磁垂直磁各向异性异质结中交换偏置场的翻转，为理解交换偏置作用和设计新型自旋电子器件提供了新思路 [2]；

（3）面向超低功耗电子应用，从核心材料及界面、关键机理、基础功能、器件及电路应用、领域挑战及展望等方面系统综述了二维自旋电子学的发展现状、关键问题及潜在机遇 [3]；

（4）以斯格明子作为信息载体，基于其形态可控特性，推进其微纳器件研发，为实现超低功耗类脑计算芯片奠定基础 [4]；

（5）以能耗及速度为牵引绘制了未来的自旋芯片技术发展路线图，提出基于全自旋电子器件的非易失计算存储架构，可大幅提高计算能效 [5]。

[1] Wang, Mengxing, et al. "Field-free switching of a perpendicular magnetic tunnel junction through the interplay of spin–orbit and spin-transfer torques." Nature electronics 1.11 (2018): 582-588.

[2] Peng, Shouzhong, et al. "Exchange bias switching in an antiferromagnet/ferromagnet bilayer driven by spin–orbit torque." Nature Electronics 3.12 (2020): 757-764.

[3] Lin, Xiaoyang, et al. "Two-dimensional spintronics for low-power electronics." Nature Electronics 2.7 (2019): 274-283.

[4] Kang, Wang, et al. "Skyrmion-electronics: An overview and outlook." Proceedings of the IEEE 104.10 (2016): 2040-2061.

[5] Guo, Zongxia, et al. "Spintronics for energy-efficient computing: An overview and outlook." Proceedings of the IEEE 109.8 (2021): 1398-1417.

基于一系列高性能自旋信息器件的研究工作，赵巍胜教授团队为解决斯格明子信息载体与现行半导体工艺兼容的关键核心问题，于2019年开始进行室温斯格明子隧道结器件的研制，历时三年研制成功，并积极响应国家号召，将最重要的原创性成果发表在国内期刊Science Bulletin，文章题为“Experimental demonstration of skyrmionic magnetic tunnel junction at room temperature”。我院博士生李赛（现为我校卓百博士后）、杜奥、王馨苒以及华南师范大学博士生王亚栋为共同第一作者；华南师范大学侯志鹏副教授和我院赵巍胜教授为通讯作者。该研究成功制备了基于斯格明子的隧道结薄膜及器件，首次有力论证了在隧道结器件中可以实现室温下磁斯格明子的电学探测，并实现了斯格明子非易失、多阻态调控。该器件的成功研制推进斯格明子的应用落地，为高密度、超低功耗的类脑计算架构提供新的物理机制。

斯格明子隧道结器件的电学特性及在类脑计算中的应用

该文章荣获Science Bulletin 2022年发文读者关注TOP10，体现了各领域研究人员对于自旋电子学的巨大兴趣，特别是对于北航集成电路科学与工程学院在新型自旋器件研究中的广泛认可和高度肯定。未来我院研究团队会继续聚焦“后摩尔”时代集成电路领域的关键技术，努力践行“把论文写在祖国的大地上”。