takizawa_日本东京大学开发出制造自旋电子器件的新方法

(照片来源:Getty Images)

目前，随着集成在芯片上的晶体管数量的增加，由电流引起的发热问题变得越来越严重，这对芯片的处理速度和性能产生了负面影响，并阻碍了电子器件的进一步小型化幸运的是，对于

，电子除了电荷性质外，还有另一种固有的量子物理性质:“自旋”它可以被理解为角动量，或者“向上”或者“向下”旋转的微小粒子似乎围绕着它们自己的轴不断旋转，创造出可以用来传输或储存信息的磁矩。

(照片来源:Sumio Ishihara)

类似于电流，自旋电流是电子自旋或角动量的定向相干运动；与电流不同，自旋电流不需要电荷的宏观运动。自旋霍尔效应为产生自旋流提供了一种简单有效的方法。当外部电场施加到系统时，由于自旋轨道耦合，顺磁系统可以产生垂直于电场的自旋电流。该自旋电流的极化方向垂直于电场平面和流动方向。

(图片来源:戈普曼/NIST)

基于对电子自旋和自旋流的研究，科学家们创造了许多自旋电子器件这些自旋电子器件具有体积小、速度快、功耗低等优点。在后摩尔时代，自旋电子器件有望成为基于电荷和电流的传统半导体器件的替代品。然而，为了实现有用的自旋电子器件，我们将面临几个挑战这些挑战包括找到产生自旋流的方法，以及在成功产生自旋流之后，为自旋电子元件提供各种有价值的功能，包括将数据存储为高速存储器的能力。

自旋转移力矩磁性随机存取存储器(STT-MRAM)，存储密度为128兆字节，写入速度为14纳秒(图片来源:日本东北大学)

创新

最近，日本东京大学固态研究所助理研究员伊士基广成(Hironari Isshiki)和他的团队发现了一种新颖、简洁、优雅的方法来应对上述两个复杂的挑战。这个学派的物理学家创造了一种制造自旋电子器件的新方法。由于这些高性能、低功率旋转电子器件的光明前景，制造这些器件的有效方法被高度寻求。这种新的制造方法很有吸引力，因为它使用有机分子，根据不同的用途相对容易配置。这些分子层可以被涂覆或印刷在金属上，以产生新的电子功能

图片显示了本研究中使用的实验样品的结构(图片来源:Isshiki等人)

技术

Isshiki说:“我们已经成功地通过一个简单的‘油漆层’证明了铜样品中自旋流到电流的有效转换。"这层只有一个原子厚，由有机物组成。该装置的转换效率与由无机金属材料如铂或铋制成的装置相当。然而，与无机材料相比，有机材料更容易处理以产生各种功能。有机层

由一种称为“铅(二)酞菁”的物质组成注入到被这种分子覆盖的表面的自旋电流被有效地转换成熟悉的电流。研究人员用不同厚度的有机层进行实验，看哪种厚度最有效。当这一层只有一个原子的厚度时，分子的排列是为了最有效地将自旋转化为电流。

如下图所示:仅0.6分子厚度(左)、1.0分子厚度(中)和1.9分子厚度(右)的有机层的扫描隧道显微镜图像

(照片来源:Isshiki等人)

值

Isshiki解释道:“有机分子为自旋电子学研究者提供了高度的设计自由度，特别是因为它们相对容易操作。”我们希望看到在高性能计算或低功耗设备领域发挥作用的各种功能元素。这些超薄层也意味着有一天我们将创造出灵活的设备，甚至是那些由特殊打印机创造的设备。“

Future

Isshiki和他的同事计划探索导电材料上的其他有机层配置，以在未来实现新的自旋功能他们还希望研究电荷向自旋流的转化，在这项研究中已经证明了相反的过程。该研究领域的目标是加速有机分子自旋电子学的研究。

关键字

reference

[1]h . isshi ki，k. kondou，s. takizawa，k. shimose，t. kawabe，e. minamitani，n. yamaguchi，f. ishii，A. Shiotari，y .杉本四叶，S. Miwa，Y. Otani .通过用单层分子覆盖金属表面实现自旋相关功能。纳米字母，2019年；DOI:10.1021/ACS . nano lett . 9b 02619

【2】https://www . u-Tokyo . AC . jp/focus/en/press/z 0508 _ 00069 . html