清華海內(nèi)初次以第一單元在《天然》頒發(fā)磁電阻論文 - 清華年夜學(xué)

2015-04-02 10:06 來源：http://m.elinglong.com/ 閱讀：次

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把半導(dǎo)體硅勝利引入磁傳感器領(lǐng)域清華師生海內(nèi)初次以第一單元在《天然》頒發(fā)磁電阻領(lǐng)域結(jié)果

將對磁傳感器和磁存儲工業(yè)產(chǎn)生反動性影響

　　清華消息網(wǎng)9月15日電（記者呂露英李含）明天出書的《做作》（Nature）上刊登了清華大學(xué)材料系章曉中傳授研究組的最新研究成果——《硅的低場磁電阻的幾何增強》(Geometrical enhancement of low-field magnetoresistance in silicon)，這是國內(nèi)初次以第一單位在《天然》或《迷信》（Science）雜志上登載磁電阻領(lǐng)域的研究成果，也是磁電阻領(lǐng)域的一項嚴(yán)重沖破。章曉中是本篇論文的通信作者，他領(lǐng)導(dǎo)的2007級博士生萬蔡華為第一作者。

　　這項研究成果發(fā)明性地將半導(dǎo)體硅這種成熟的工業(yè)材料引入磁傳感器領(lǐng)域，將對磁傳感器和磁存儲工業(yè)產(chǎn)生革命性的影響。

圖為論文注釋首頁中舉二頁。

為產(chǎn)業(yè)利用翻開一扇門

　　磁傳感器是一種能夠?qū)⒏鞣N磁場及其變更的量改變成電旌旗燈號輸入的安裝，普遍運用于社會生涯的各個方面，如探測、收集、存儲、轉(zhuǎn)換、復(fù)現(xiàn)和監(jiān)控各類磁場和磁場中承載的各種信息，天下上用的最多的磁傳感器就是盤算機用的讀出磁頭。可以說，它已成為信息技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)中不行缺乏的基本原件。跟著信息工業(yè)、工業(yè)主動化、交通運輸、電力電子技巧、家用電器等的智能化和進一步成長，磁傳感器的應(yīng)用有著無窮的空間。之前磁傳感器一直用磁性材料和稀土材料制造，因為最近幾年來稀土價錢暴跌，研究職員始終在尋覓廉價的替換資料。

　　清華大學(xué)材料系章曉中研究組從2003年開端介入這方面的研究。幾年來，研究組做過良多嘗試，厥后匆匆將目的鎖定在了在自然界存儲量極大、在工業(yè)界應(yīng)用異常成熟的硅上。

　　2009年，一樣是在《自然》雜志上，外洋同業(yè)揭橥了一篇論文，指出在硅中可以產(chǎn)生很大的磁阻。但這篇論文只是展現(xiàn)了這個發(fā)現(xiàn)，間隔真實的應(yīng)用還很遠。

　　那時，章曉中研究組曾經(jīng)在測驗考試使用硅來取代磁性金屬。看到這篇論文后，研究組更加動搖了沿著這條路走下去的信心，然而必需要做出更年夜的成績，能夠真正使發(fā)現(xiàn)為工業(yè)所用。

　　“假如不去打開應(yīng)用這扇大門，不在工業(yè)應(yīng)用方面做出主要的成果，那末對我們來講研究意思就不是很大。”章曉中回想起其時的情況。

將硅成功引入磁傳感器領(lǐng)域

　　早些時辰，人們在一些非磁性半導(dǎo)體中發(fā)現(xiàn)了由非平勻性致使的異樣宏大的磁電阻效應(yīng)（IMR）和線性的磁場依賴關(guān)系，激發(fā)了人們極大的研究興致。法國科學(xué)家艾爾伯·費爾和德國科學(xué)家皮特·克魯伯格就因發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)而取得2007年度諾貝爾物理獎。

　　章曉中研究組的研究表白，在攙雜濃度極低的硅中，可經(jīng)過多數(shù)載流子注入的方法引入遷徙率的空間非平均性，從而增強IMR效應(yīng)。應(yīng)用這一道理，章曉中教學(xué)研究組計劃了一種硅基IMR的原型器件(圖1(a))。經(jīng)由過程調(diào)控器件的多少何結(jié)構(gòu)，這種器件的室溫磁場靈敏度明顯加強，在0.07特斯拉（tesla，國際單位制中磁感到強度或磁通密度的單位。）和0.2特斯拉下分辨完成了10％和100％的磁電阻（圖1(b)和(c)），瀕臨了商用巨磁阻(GMR)器件的程度。隨著器件的微型化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，器件機能還能持續(xù)晉升。

圖為硅基IMR器件的構(gòu)造和它的磁阻與多少結(jié)構(gòu)W/L的關(guān)系（a）; 強磁場(b)和低磁場(c)下硅樣品的電阻與磁場的依附關(guān)聯(lián)。

　　這種兼具低場敏銳度和巨磁電阻效應(yīng)的硅基IMR器件可以籠罩從0.05特斯拉到最少數(shù)特斯拉的磁場范疇，因此對磁傳感器工業(yè)存在無比大的吸引力。特別是斟酌到該器件是基于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體硅材料，因而這種器件還可以很便利地集成到傳統(tǒng)的硅基微電子工業(yè)中，從而推進傳統(tǒng)金屬基磁電子學(xué)向半導(dǎo)體基磁電子學(xué)特殊是向硅基磁電子學(xué)的進級。今朝磁傳感器/讀出磁頭由磁性金屬材料制造，邏輯把持部件由硅制作，此后采取硅基磁電阻器件，傳感器和節(jié)制局部可以集成在統(tǒng)一個硅片上。

　　更進一步，考慮到硅是目前制備太陽能電池的主流材料，還可以在同一硅片上制備一個太陽能電池，從而制備出不必外接電源的自驅(qū)動磁傳感器。硅基IMR器件的發(fā)現(xiàn)將對目前的磁傳感器和磁存儲工業(yè)帶來反動性的變化。

　　“以前的磁傳感器是用磁性金屬或稀土材料制作，它們儲量低、本錢高，并且只能在較弱的磁場下應(yīng)用。硅作為僅次于氧的最豐盛的元素存在于地殼中，便宜易得，作為磁傳感東西料樂音小，而且硅是一種十分成熟的半導(dǎo)體工業(yè)材料，我們的研究將半導(dǎo)體硅這類使用廣泛且成熟的材料實證性地應(yīng)用于磁傳感范疇，并且不論是在弱磁場仍是強磁場都可以使用。這為磁傳感器工業(yè)打開了另外一扇門。” 章曉中高興地說。

　　現(xiàn)實上不但如此，章曉中研究組的研究成果證明了硅可所以優(yōu)良的磁傳感器材料，那么其他半導(dǎo)體材料可弗成以？將半導(dǎo)體硅應(yīng)用到磁傳感器和磁存儲工業(yè)，也另有很長的路要走。研究組的首創(chuàng)性任務(wù)本質(zhì)上也為磁電阻領(lǐng)域、磁傳感器工業(yè)開拓了一條道路，而這條途徑，又可以延長出多條彎曲的道路,清華總裁研修。

先生與先生井水不犯河水

　　研究組可能做出如斯的成就，與章曉中日常平凡對先生科研認(rèn)識跟才能的培育密不成分。

　　除基礎(chǔ)的科研練習(xí)，章曉中非常注重造就學(xué)生對本專業(yè)、本事域研究的前沿認(rèn)識。他定閱了《自然》和《科學(xué)》的電子版擇要，每期城市把此中跟本專業(yè)領(lǐng)域相干的文章推舉給學(xué)生瀏覽，讓學(xué)生在靜心做實驗的同時也能抬開端來放眼世界。同時，他也重視對學(xué)生國際視線的培養(yǎng)，他激勵研究組的學(xué)生多停止國際交流。萬蔡華讀博時期，與研究組其余學(xué)生一樣，章曉中曾送他到比利時進行動期三個月的交流，接上去，他還將去日本東京大學(xué)停止交換。

圖為章曉中研究組在工作中。右一為章曉中，右二為萬蔡華。

　　牛津大學(xué)博士結(jié)業(yè)、曾在英國皇家研究院、新加坡國立大學(xué)任務(wù)多年的章曉中經(jīng)由了近三十年的科研訓(xùn)練，有著踏實的專業(yè)常識、獨到的專業(yè)目光、廣闊的國際視野和豐碩的科研經(jīng)驗，而這恰是碩士生、博士生們所缺少的。這種教師和學(xué)生的聯(lián)合非常相形見絀。“學(xué)生們凡是有許多的點子，睡一覺起來便可能冒出來兩個主意，在全部科研過程當(dāng)中，與教師的溝通非常重要。” 萬蔡華如是說。

　　從2009年末參與這個項目標(biāo)研究，萬蔡華做了近兩年。“這時代，也遇到過瓶頸，都感到做不下去了，乃至發(fā)生廢棄的動機。”就在這時候，與導(dǎo)師章曉中的一次相同成了處理成績的要害。“咱們研討組在以往的實驗中模糊發(fā)明了硅有一些有意思的特征，但我總想先從理論下去推導(dǎo)證實，成果就碰到了瓶頸。在那次談話中，教員倡議我先用試驗的方式來論證，再去追求實踐的支持。我驀地開悟。”

　　作為一位做了四年多科研并活著界頂級科學(xué)雜志以第一作者身份揭曉論文的博士生，總結(jié)起本人的科研教訓(xùn)，萬蔡華給師弟師妹們的提議是：

　　“看文獻是需要非充足前提，但是不要科學(xué)文獻，包含《自然》、《科學(xué)》。膽量要大、要敢想，要有破有破。”

編纂：文君