清華海內初次以第一單元在《天然》頒發磁電阻論文 - 清華年夜學

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

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把半導體硅勝利引入磁傳感器領域清華師生海內初次以第一單元在《天然》頒發磁電阻領域結果

將對磁傳感器和磁存儲工業產生反動性影響

　　清華消息網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)，這是國內初次以第一單位在《天然》或《迷信》（Science）雜志上登載磁電阻領域的研究成果，也是磁電阻領域的一項嚴重沖破。章曉中是本篇論文的通信作者，他領導的2007級博士生萬蔡華為第一作者。

　　這項研究成果發明性地將半導體硅這種成熟的工業材料引入磁傳感器領域，將對磁傳感器和磁存儲工業產生革命性的影響。

圖為論文注釋首頁中舉二頁。

為產業利用翻開一扇門

　　磁傳感器是一種能夠將各種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、轉換、復現和監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，它已成為信息技術和信息產業中不行缺乏的基本原件。跟著信息工業、工業主動化、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、在工業界應用異常成熟的硅上。

　　2009年，一樣是在《自然》雜志上，外洋同業揭橥了一篇論文，指出在硅中可以產生很大的磁阻。但這篇論文只是展現了這個發現，間隔真實的應用還很遠。

　　那時，章曉中研究組曾經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，能夠真正使發現為工業所用。

　　“假如不去打開應用這扇大門，不在工業應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域

　　早些時辰，人們在一些非磁性半導體中發現了由非平勻性致使的異樣宏大的磁電阻效應（IMR）和線性的磁場依賴關系，激發了人們極大的研究興致。法國科學家艾爾伯·費爾和德國科學家皮特·克魯伯格就因發現巨磁電阻效應而取得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，可經過多數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。應用這一道理，章曉中教學研究組計劃了一種硅基IMR的原型器件(圖1(a))。經由過程調控器件的多少何結構，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構優化，器件機能還能持續晉升。

圖為硅基IMR器件的構造和它的磁阻與多少結構W/L的關系（a）; 強磁場(b)和低磁場(c)下硅樣品的電阻與磁場的依附關聯。

　　這種兼具低場敏銳度和巨磁電阻效應的硅基IMR器件可以籠罩從0.05特斯拉到最少數特斯拉的磁場范疇，因此對磁傳感器工業存在無比大的吸引力。特別是斟酌到該器件是基于傳統的半導體硅材料，因而這種器件還可以很便利地集成到傳統的硅基微電子工業中，從而推進傳統金屬基磁電子學向半導體基磁電子學特殊是向硅基磁電子學的進級。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，傳感器和節制局部可以集成在統一個硅片上。

　　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動磁傳感器。硅基IMR器件的發現將對目前的磁傳感器和磁存儲工業帶來反動性的變化。

　　“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體工業材料，我們的研究將半導體硅這類使用廣泛且成熟的材料實證性地應用于磁傳感范疇，并且不論是在弱磁場仍是強磁場都可以使用。這為磁傳感器工業打開了另外一扇門。” 章曉中高興地說。

　　現實上不但如此，章曉中研究組的研究成果證明了硅可所以優良的磁傳感器材料，那么其他半導體材料可弗成以？將半導體硅應用到磁傳感器和磁存儲工業，也另有很長的路要走。研究組的首創性任務本質上也為磁電阻領域、磁傳感器工業開拓了一條道路，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識跟才能的培育密不成分。

　　除基礎的科研練習，章曉中非常注重造就學生對本專業、本事域研究的前沿認識。他定閱了《自然》和《科學》的電子版擇要，每期城市把此中跟本專業領域相干的文章推舉給學生瀏覽，讓學生在靜心做實驗的同時也能抬開端來放眼世界。同時，他也重視對學生國際視線的培養，他激勵研究組的學生多停止國際交流。萬蔡華讀博時期，與研究組其余學生一樣，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。

　　牛津大學博士結業、曾在英國皇家研究院、新加坡國立大學任務多年的章曉中經由了近三十年的科研訓練，有著踏實的專業常識、獨到的專業目光、廣闊的國際視野和豐碩的科研經驗，而這恰是碩士生、博士生們所缺少的。這種教師和學生的聯合非常相形見絀。“學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，乃至發生廢棄的動機。”就在這時候，與導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明了硅有一些有意思的特征，但我總想先從理論下去推導證實，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雜志以第一作者身份揭曉論文的博士生，總結起本人的科研教訓，萬蔡華給師弟師妹們的提議是：

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

編纂：文君