材料学院潘峰教授等完成的“氧化锌薄膜微结构与性能调控中的若干基础问题”项目

获2012年度国家自然科学奖二等奖

探寻材料世界的无穷奥妙

实习记者 赵聪

潘峰在863计划新材料领域重点成果推介会上介绍研究趋势。

  项目名称:氧化锌薄膜微结构与性能调控中的若干基础问题

  项目完成人:潘峰 曾飞 宋成 杨玉超 刘雪敬

  项目介绍:项目从能带裁剪、自旋操纵和极化控制等方面开展了氧化锌微结构和性能调控研究;阐明了缺陷诱导氧化物稀磁特性的机制,发现了小离子半径元素掺杂能极大提高氧化锌压电性能的规律,揭示了阻变存储器低阻态高导电性的物理本质;发展出压电、稀磁、多铁、阻变等四种氧化锌基新材料和滤波器、磁传感器、阻变存储器等三种原理型器件。该成果得到了国内外同行的广泛关注,推动了材料性能调控理论的发展。

  氧化锌,化学式ZnO,仅由两个化学元素构成。为了研究这看似简单的材料,我校材料学院潘峰教授带领的科研团队花了整整10年。10年间,他们从能带裁剪、自旋操纵和极化控制等不同角度入手,深入研究氧化锌的微结构及其性能调控,“开发”出压电、稀磁、多铁、阻变等四种氧化锌基新材料和滤波器、磁传感器、阻变存储器等三种原理型器件。氧化锌材料在他们手中,仿佛焕发出“百变”的魔力。

  2013年1月,“氧化锌薄膜微结构与性能调控中的若干基础问题”项目获得2012年度国家自然科学奖二等奖。与这份荣誉相比,一路走来在氧化锌材料中找到的无穷奥秘,更让潘峰和他的团队为之着迷。

  “做材料的相关研究,真的是一件非常神奇的事!”潘峰兴奋地说。

巧妙“掺杂”提升氧化锌性能

  小朋友喜欢玩积木,因为它们可以组合成不同的结构,从而呈现出楼宇、桥梁、房屋等千姿百态的样貌;男孩儿们钟情于变形金刚,它像人类一样可以走动,而如果改变它的结构,几秒钟内就能变成一辆“小汽车”,其性能也随之改变,可以驰骋奔跑起来。

  和积木、变形金刚的魅力相类似,材料科学的研究,简而言之就是让视野进入微观世界,通过改变材料中原子、电子等物质的排列次序,使得原有材料获得全新的性能,更好地为人所用,服务于现实的生产生活。

在神奇的材料世界里,潘峰“偶然”地与氧化锌结缘了。

  氧化锌是一种氧化物半导体材料,而半导体几乎是所有电子工业的基础材料。氧化锌本身性能丰富,但金无足赤,任何一种材料都不是完美无缺的,氧化锌的不足在于多方面性能都相对平庸,没有被发挥到极致。

钴掺杂氧化锌的磁性机制示意图。

新型阻变存储器机理示意图。

  潘峰带领团队所从事的科学研究,就是通过改变氧化锌这种材料的内部排列形式,进而提升其某方面的性能。这种改变材料内部原子、电子等排列次序的手段叫做“掺杂”。

  顾名思义,就像在烹饪中为了使主要食材的味道和营养得以充分发挥而加入另外一种食材或调料,“掺杂”是在原本的材料氧化锌中“掺”些金属离子进去,从而实现对氧化锌性能的调控。

  最初,潘峰在研究用于手机的声表面波滤波器时,为了实现声电功能转化的需要,需要找到合适的压电材料。常用的压电材料是包含至少3个元素的钙钛矿结构材料,其中有的是稀缺元素,有的甚至是对人类健康有毒害作用的铅元素,因此很难制备。这使潘峰把目光投向了相对容易制备的氧化锌。

  与钙钛矿压电材料相比,氧化锌的压电性相对较弱,这方面很难得到广泛利用。经过多次科学实验,潘峰发现在原子层面对氧化锌进行“掺杂”可以大大提高其压电性。这个思路是利用一个小的原子去取代原来中间的原子,由于新的原子较小,其移动空间较之前变大许多,因此产生电的极性就更大,压电性得到很大程度的提高,压电系数从原来的12提高到170,已经接近复杂的钙钛矿压电材料的程度。

  就这样,潘峰和他的团队通过巧妙的“掺杂”,极大提高了氧化锌这种简单易制备的材料的压电性,很大程度上提高了高频声表面波滤波器的滤波特性。用于高频声表面波器件的关键材料得以突破,并由此合作建立了有自主知识产权的声表面波器件生产线。

打造未来存储设备新材料

  万变不离其宗,研究压电材料的经历让潘峰和他的团队看到了提升氧化锌性能的无限可能。除了原子层面,他们又相继从电子和纳米层面对氧化锌进行 “掺杂”,分别做成磁性、阻变氧化锌材料。在信息化、网络化的今天,这些研究有望推动计算机内部存储设备(包括内存、硬盘等)和移动存储设备(如U盘、硬盘等)的应用材料发展。

  人类步入信息时代后,信息存储、处理、运算和读取的速度与效果,对生产活动和社会活动都有着至关重要的影响。而在我们现在所使用的计算机内部,信息的存储、处理所用材料各不相同,具有不同的性质:存储和读取信息大多使用磁性材料——硬盘;处理信息则使用硅材料,例如晶体管或二极管。如此一来,信息存储、处理和读取等材料彼此封闭,在多种性质迥异的材料中间传递,运算和传递速度大打折扣。

  因此,未来计算机理想的状态是利用全部功能集于由同一材料制备的高度集成的器件,来实现信息存储、传递、处理和读取于一体。新世纪伊始,国际上相关领域的科学家都在寻找可以应用于自旋电子学器件、具有室温磁性的稀磁半导体材料。在这场看不见硝烟的竞争中,潘峰团队基于他们做压电材料的经验,再次通过“掺杂”的方法使氧化锌“化腐朽为神奇”。

  氧化锌本身不具有磁性,通过“掺杂”,在电子层面改变其自旋,就能使这种材料带有磁学特性,实现自旋极化。一直以来,研究者普遍认为其磁性与载流子有关。潘峰团队通过系统研究证实了稀磁氧化物的室温磁性起源于结构缺陷,解决了长期困扰这个领域的机制问题。电子有向上和向下的自旋,根据取向的不同,分别记录1信号和0信号,以这样的方式记录信息。存储完毕后,通过自旋传输继续进行信息处理,最后在另一端读取信息。“全部过程都在一张芯片上完成,这一突破在信息产业中有广阔的应用前景。”团队成员、材料学院先进材料教育部重点实验室副研究员宋成介绍说。

  近年来,计算机硬盘和智能U盘的发展速度很快,信息储存容量也越来越大。但制作计算机硬盘和U盘使用的材料,信息处理速度明显比内存慢许多,存储信息可靠性不够,在太空等环境中使用时不具备抗辐照等特性。反之,电脑内存的存储速度很快,但它的致命缺点在于断电后信息丢失,由于其存储的信号要反复刷写,大大增加了电脑能耗,并导致手提电脑待机时间缩短。

  潘峰团队在对氧化锌材料进行纳米层次的调控后,设计发展了阻变存储器这样一种原理型器件,利用电阻的高与低来存储信号,能够兼顾内存信息处理快和U盘断电后信息不丢失两者的长处。

  阻变存储器的结构就像 “三明治”,两边是金属电极,中间是绝缘的存储介质,在电的激励下,有一个纳米级别的导电细丝穿透了这个“三明治”结构。

  在“三明治”中采用氧化锌,并不是潘峰团队首创的。但他们使用锰元素进行‘掺杂’,使电阻变化达到107,电阻改变非常显著,极易识别。特别是,他们通过制备大量样品,在透射电镜的辅助下直观地看到了掌控电阻高低变化的根源——导电细丝的形成与断开。

  如果用这样的阻变器件制成存储器,目前推算其材料稳定性较高,10年内信息保留没有问题。信息读写速度在纳秒以下,和现在电脑内存的读写速度差不多。而且断电后信息保存完好,不会丢失。更“绝”的是,氧化锌材料还能抗辐照,完全可以在太空中使用,这使它在航天和国防领域也具有广泛的应用前景。

坚持做“领跑”的研究

  回顾10年来的研究心得,潘峰为自己的团队成员深深感到骄傲。他表示,清华学生都很努力,而他要做的,就是尽可能带领同学们直面最前沿、具有重大应用背景的科研课题。“我总告诉学生,你们永远站在巨人的肩膀上,要做‘领跑’而非‘跟跑’的研究。这些年来大家真的很兴奋,是兴趣推动着所有人一步一步努力推进研究。因为兴趣,所以坚持。给大家最好的课题、最好的方向,这就是带领团队科研攻关的‘王道’。”潘峰深有感触地说。

  潘峰的博士生宋成最为感激的,就是老师提供的良好科研环境。只要学生有好的想法,潘峰从不加以限制,并且给予经费和时间保障,鼓励学生努力尝试与探索。

  正是在这种鼓励探索创新的学术氛围激励下,博士生杨玉超在阅读文献时被“阻变存储器”这个主题所吸引,大胆提出将氧化锌的研究与阻变存储器结合起来。很快,团队撰写的第一篇学术文章发表在《纳米快报》上,一炮打响,前3年他引次数就达160多次,并被国际同行认为是自上世纪60年代以来科学家们在阻变存储机理研究方面 “一直渴望做到”的重要进展。

  与围绕一个问题深入探寻的普遍科研模式不同,潘峰和他的团队10年来“锁定”的是氧化锌这个“并不起眼”的材料。不断探索、挖掘和调控它的多种功能,甚至在缺陷中瞥见原以为不可能有的特性,成功的背后是十年如一日反复大量的尝试和探索。这两个元素构成的材料世界里还有多少奇妙的现象?潘峰和他的团队将继续寻找更多的答案……

  来源:新清华 第1917期 2013-5-17

 

  

2013年05月23日 14:02:17  清华新闻网

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