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 把半导体硅成功引入磁传感器领域

清华师生国内首次以第一单位在《自然》发表磁电阻领域成果

将对磁传感器和磁存储工业产生革命性影响

 

  清华新闻网9月15日电  (记者 吕露英 李 含)今天出版的《自然》(Nature)上刊登了清华大学材料系章晓中教授研究组的最新研究成果——《硅的低场磁电阻的几何增强》(Geometrical enhancement of low-field magnetoresistance in silicon),这是国内首次以第一单位在《自然》或《科学》(Science)杂志上刊登磁电阻领域的研究成果,也是磁电阻领域的一项重大突破。章晓中是本篇论文的通讯作者,他指导的2007级博士生万蔡华为第一作者。

  这项研究成果创造性地将半导体硅这种成熟的工业材料引入磁传感器领域,将对磁传感器和磁存储工业产生革命性的影响。

图为论文正文首页及第二页。

 为工业应用打开一扇门

  磁传感器是一种可以将各种磁场及其变化的量转变成电信号输出的装置,广泛应用于社会生活的方方面面,如探测、采集、存储、转换、复现和监控各种磁场和磁场中承载的各种信息,世界上用的最多的磁传感器就是计算机用的读出磁头。可以说,它已经成为信息技术和信息产业中不可缺少的基础原件。随着信息产业、工业自动化、交通运输、电力电子技术、家用电器等的智能化和进一步发展,磁传感器的应用有着无限的空间。以前磁传感器一直用磁性材料和稀土材料制作,由于近年来稀土价格暴涨,研究人员一直在寻找便宜的替代材料。

  清华大学材料系章晓中研究组从2003年开始介入这方面的研究。几年来,研究组做过很多尝试,后来渐渐将目标锁定在了在自然界存储量极大、在工业界应用非常成熟的硅上。

  2009年,同样是在《自然》杂志上,国外同行发表了一篇论文,指出在硅中可以产生很大的磁阻。但这篇论文只是展示了这个发现,距离真正的应用还很远。

  当时,章晓中研究组已经在尝试使用硅来代替磁性金属。看到这篇论文后,研究组越发坚定了沿着这条路走下去的决心,但是必须要做出更大的成绩,能够真正使发现为工业所用。

  “如果不去打开应用这扇大门,不在工业应用方面做出重要的成果,那么对我们来说研究意义就不是很大。”章晓中回忆起当时的情形。

将硅成功引入磁传感器领域

  早些时候,人们在一些非磁性半导体中发现了由非均匀性导致的异常巨大的磁电阻效应(IMR)和线性的磁场依赖关系,激起了人们极大的研究兴趣。法国科学家艾尔伯·费尔和德国科学家皮特·克鲁伯格就因发现巨磁电阻效应而获得2007年度诺贝尔物理奖。

  章晓中研究组的研究表明,在掺杂浓度极低的硅中,可通过少数载流子注入的方式引入迁移率的空间非均匀性,从而增强IMR效应。利用这一原理,章晓中教授研究组设计了一种硅基IMR的原型器件(图1(a))。通过调控器件的几何结构,这种器件的室温磁场灵敏度显著增强,在0.07特斯拉(tesla,国际单位制中磁感应强度或磁通密度的单位。)和0.2特斯拉下分别实现了10%和100%的磁电阻(图1(b)和(c)),接近了商用巨磁阻(GMR)器件的水平。随着器件的微型化和结构优化,器件性能还能继续提升。

图为硅基IMR器件的结构和它的磁阻与几何结构W/L的关系(a); 强磁场(b)和低磁场(c)下硅样品的电阻与磁场的依赖关系。

  这种兼具低场灵敏度和巨磁电阻效应的硅基IMR器件可以覆盖从0.05特斯拉到至少数特斯拉的磁场范围,因而对磁传感器工业具有非常大的吸引力。特别是考虑到该器件是基于传统的半导体硅材料,因而这种器件还可以很方便地集成到传统的硅基微电子工业中,从而推动传统金属基磁电子学向半导体基磁电子学特别是向硅基磁电子学的升级。目前磁传感器/读出磁头由磁性金属材料制造,逻辑控制部件由硅制造,今后采用硅基磁电阻器件,传感器和控制部分可以集成在同一个硅片上。

  更进一步,考虑到硅是目前制备太阳能电池的主流材料,还可以在同一硅片上制备一个太阳能电池,从而制备出不用外接电源的自驱动磁传感器。硅基IMR器件的发明将对目前的磁传感器和磁存储工业带来革命性的变化。

  “以前的磁传感器是用磁性金属或稀土材料制作,它们储量低、成本高,并且只能在较弱的磁场下使用。硅作为仅次于氧的最丰富的元素存在于地壳中,便宜易得,作为磁传感器材料噪音小,并且硅是一种非常成熟的半导体工业材料,我们的研究将半导体硅这种使用广泛且成熟的材料实证性地运用于磁传感领域,并且不管是在弱磁场还是强磁场都能够使用。这为磁传感器工业打开了另一扇门。” 章晓中兴奋地说。

  事实上不仅如此,章晓中研究组的研究成果证实了硅可以是优秀的磁传感器材料,那么其他半导体材料可不可以?将半导体硅应用到磁传感器和磁存储工业,也还有很长的路要走。研究组的开创性工作实质上也为磁电阻领域、磁传感器工业开辟了一条道路,而这条道路,又可以延伸出多条蜿蜒的道路。

老师与学生相得益彰

  研究组能够做出如此的成绩,与章晓中平时对学生科研意识和能力的培养密不可分。

  除了基础的科研训练,章晓中非常注重培养学生对本专业、本领域研究的前沿意识。他订阅了《自然》和《科学》的电子版摘要,每期都会把其中跟本专业领域相关的文章推荐给学生阅读,让学生在埋头做实验的同时也能抬起头来放眼世界。同时,他也注重对学生国际视野的培养,他鼓励研究组的学生多进行国际交流。万蔡华读博期间,与研究组其他学生一样,章晓中曾送他到比利时进行为期三个月的交流,接下来,他还将去日本东京大学进行交流。

图为章晓中研究组在工作中。右一为章晓中,右二为万蔡华。

  牛津大学博士毕业、曾在英国皇家研究院、新加坡国立大学工作多年的章晓中经过了近三十年的科研训练,有着扎实的专业知识、独到的专业眼光、宽广的国际视野和丰富的科研经验,而这正是硕士生、博士生们所缺少的。这种老师和学生的结合非常相得益彰。“学生们通常有很多的点子,睡一觉起来就可能冒出来两个想法,在整个科研过程中,与老师的沟通非常重要。” 万蔡华如是说。

  从2009年底介入这个项目的研究,万蔡华做了近两年。“这期间,也遇到过瓶颈,都觉得做不下去了,甚至产生放弃的念头。”就在这时,与导师章晓中的一次沟通成为了解决问题的关键。“我们研究组在以往的实验中隐约发现了硅有一些有意思的特性,但我总想先从理论上来推导证明,结果就遇到了瓶颈。在那次谈话中,老师建议我先用实验的方法来论证,再去寻求理论的支撑。我顿然开悟。”

  作为一名做了四年多科研并在世界顶级科学杂志以第一作者身份发表论文的博士生,总结起自己的科研经验,万蔡华给师弟师妹们的建议是:

  “看文献是必要非充分条件,但是不要迷信文献,包括《自然》、《科学》。胆子要大、要敢想,要有破有立。”

编辑:文君

 

 

(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2011-09-15 16:01:42]
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