基于量子材料的自旋电子器件以超低功耗运行

（a） 二维（2D）铁磁体-铁电异质结构器件的器件示意图。（b） 制造装置的光学图像。图片来源：韩国科学技术研究院 （KIST）

随着Chat-GPT等人工智能技术在各行各业的应用，高性能半导体器件在处理大量信息方面的作用变得越来越重要。其中，自旋存储器作为下一代电子技术正在引起人们的关注，因为它适合以比目前大规模生产的硅半导体更低的功耗处理大量信息。

在自旋存储器中使用最近发现的量子材料有望通过提高信号比和降低功耗来显着提高性能，但要实现这一目标，有必要开发通过电流和电压等电学方法控制量子材料特性的技术。

韩国科学技术研究院（KIST）自旋研究中心的Jun Woo Choi博士和崇实大学物理系的Se-Young Park教授宣布了一项合作研究的结果，该研究显示超低功耗存储器可以由量子材料制造。研究结果发表在《自然通讯》杂志上。

通过对由二维材料异质结构组成的量子材料自旋电子器件施加电压，通过有效控制电子的自旋信息，可以以超低功耗读取和写入信息。

二维材料是具有代表性的量子材料，与具有三维结构的普通材料不同，可以很容易地分离成单个原子的平面层，因此表现出特殊的量子力学性质。

在这项研究中，研究人员开发了一种二维异质结构装置，首次将具有两种不同特性的量子材料结合在一起。通过向由二维铁磁材料（Fe3-倍盖特2）和二维铁电材料（在2硒3）堆叠在一起，改变铁磁体自旋方向所需的磁场，即矫顽力，可降低70%以上。

（a）异质结构装置的运行方案。电压感应晶格膨胀调节了铁磁体的磁性。（b） 磁性能的电压相关测量。（c） 矫顽力与外加电压的函数关系。图片来源：韩国科学技术研究院 （KIST）

研究人员还发现，当施加电压时发生的二维铁电结构变化会导致相邻二维铁磁体的自旋特性发生变化。

二维铁电体的晶格随电压膨胀，改变了相邻铁磁体的磁各向异性，并大大降低了重新定向自旋所需的矫顽力。这意味着，通过对量子材料异质结构器件施加非常小的电压，即使在磁场减少约70%的情况下，也可以控制电子的自旋信息，这是开发基于量子材料的超低功耗自旋存储器的关键技术。

KIST的Jun Woo Choi博士说：“通过使用量子材料确保超低功耗的下一代存储器核心元件技术，我们将能够在最近步履蹒跚的半导体行业中保持我们的技术优势和竞争力。

更多信息：Jaeun Eom 等人，Fe 中磁性的电压控制3-倍盖特2-我2硒3范德华铁磁/铁电异质结构，Nature Communications （2023）。DOI： 10.1038/s41467-023-41382-8

期刊信息：Nature Communications