寧波材料所在硅基異質(zhì)集成單晶氧化物自旋電子器件方面取得進(jìn)展
自旋電子器件憑借低功耗、非易失性、超快讀寫等優(yōu)勢，已成為新一代信息技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。 單晶氧化物自旋霍爾材料因其突出的電荷-自旋轉(zhuǎn)換能力，被認(rèn)為是開發(fā)低功耗自旋器件的理想候選材料。然而，如何實(shí)現(xiàn)單晶氧化物自旋霍爾材料與硅基平臺的異質(zhì)集成，仍然面臨著巨大挑戰(zhàn)。
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所柔性磁電材料與器件團(tuán)隊(duì)針對上述問題開展研究，提出了“混合轉(zhuǎn)移外延” 集成策略。研究實(shí)現(xiàn)了在硅襯底上單晶氧化物自旋電子器件的異質(zhì)集成，為高性能硅基自旋電子器件及神經(jīng)形態(tài)計(jì)算技術(shù)發(fā)展提供了重要技術(shù)路徑。
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展出一種剝離轉(zhuǎn)移技術(shù)與外延生長結(jié)合的方法，成功實(shí)現(xiàn)氧化物自旋霍爾材料的硅集成。通過該方法，在硅襯底上成功制備出單晶SrRuO3薄膜，并構(gòu)建了自旋軌道矩（SOT）器件。器件測試結(jié)果表明，該SOT器件表現(xiàn)出較高的自旋霍爾電導(dǎo)率 （6.1×104 ?/2e S?m-1）和較低的臨界電流密度（1.3×1010 A m-2）。器件的多態(tài)磁化翻轉(zhuǎn)特性被驗(yàn)證可用于模擬生物突觸和神經(jīng)元功能?；谠撈骷?gòu)建的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在圖像識別任務(wù)中的識別準(zhǔn)確率達(dá)到88%。該研究為硅基氧化物電子學(xué)發(fā)展提供了一種新的集成方法?！盎旌限D(zhuǎn)移外延”策略有望推廣至更多氧化物材料體系和器件，推動(dòng)高性能硅基自旋電子器件的研發(fā)，并在低功耗電子信息和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。
研究成果以“Heterogeneous Integration of Single-Crystal SrRuO3 Films with Large Spin Hall Conductivity on Silicon for Spintronic Devices”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials（https://doi.org/10.1002/adfm.202500755）。寧波材料所蘆增星助理研究員為第一作者，寧波材料所李潤偉研究員和汪志明研究員為論文共同通訊作者。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2024YFA1410200、2019YFA0307800）、國家自然科學(xué)基金（12174406、11874367、U24A6001、 52127803、52422112）、中國科學(xué)院基礎(chǔ)研究青年團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（YSBR-109）、寧波市科技創(chuàng)新2025重大專項(xiàng)（2022Z094）和寧波市青年博士創(chuàng)新項(xiàng)目（2023J411）的支持。
圖 基于氧化物SRO薄膜的低功耗SOT器件的硅集成
（磁性材料與器件實(shí)驗(yàn)室? 蘆增星 汪志明）
?