厦大团队攻克室温自旋注入难关

如何让电子器件运行更快、团队功耗更低？攻克自旋电子学被认为是重要方向之一。记者从厦门大学获悉，室温近日，自旋注入该校物理科学与技术学院张荣院士团队傅德颐课题组在这一领域取得重要突破，难关创新性地利用金属铟作为缓冲层，团队在室温下实现了高达25%的攻克自旋注入效率，为开发新型磁存储器和传感器等提供了简单高效的室温解决方案。相关研究成果在线发表于国际期刊《自然·通讯》（Nature Communications）。自旋注入

自旋注入是难关自旋电子学应用的核心环节，可以理解为让携带信息的团队“自旋电流”顺利进入传输材料。石墨烯因其超低自旋轨道耦合和高载流子迁移率，攻克被公认为理想的室温自旋传输平台。但长期以来存在一个难题：如果直接把铁磁金属沉积在石墨烯上，自旋注入两者接触过于“透明”，难关超过99%的自旋信息在入口处就会丢失，注入效率不足1%。

为提高效率，传统方法需要在两者之间插入极薄的绝缘介质层（如氧化镁或二维六方氮化硼）作为“隧穿势垒”。但这些方法存在工艺复杂、容易产生缺陷、可扩展性差等问题，限制了实际应用。

厦大团队提出了一种创新性的简化方案：在铁磁钴（Co）电极和石墨烯之间，插入一层约4纳米厚的金属铟作为缓冲层。这层铟既能阻止钴与石墨烯的直接化学接触，又自然形成了一个约0.28纳米的范德华间隙——范德华力是原子与分子间一种天然存在的微弱吸引力——由它维持的微小间距恰好可以作为自旋信息有序通过的“隧道”，其有效势垒高度约为62.8毫电子伏特。

实验结果表明，这一策略效果显著。团队在石墨烯横向自旋阀结构中清晰观测到了自旋注入的特征信号，室温下的注入效率达到25%，与当前最复杂的氧化物隧穿结器件相当。

更令人关注的是，该方法展现出优异的可扩展性：一是多通道一致性，在多沟道石墨烯器件中，所有通道均表现出均匀的自旋信号，平均效率达16.5%；二是长距离传输，在15微米的超长沟道中，自旋信号仍能稳定传播，自旋扩散长度达5.9微米，信号强度比同类器件高1到2个数量级；三是材料普适性，团队还将该方法成功应用于半导体二硫化钼（MoS_2），首次实现了平均19.7%的自旋注入效率，证明该策略可推广到更多材料体系。

理论分析表明，金属铟缓冲层形成的范德华间隙起到了关键的隧穿势垒作用，使自旋注入由隧穿效应主导，从而解释了高效注入的物理机制。

这项研究的另一亮点在于其制备工艺相对简便——仅需在工业通用的电子束蒸发设备中连续沉积两层金属，无需复杂的外延生长或二维材料转移流程，降低了制备成本和产业化门槛。

业内人士指出，它不仅解决了自旋注入效率与可扩展性之间的权衡难题，而且首次在MoS_2等二维半导体材料中实现了高效自旋注入，为室温自旋电子器件（如磁存储器、传感器和量子计算元件）的大规模应用铺平了道路。其简单、低成本的制备工艺尤其适合未来产业化需求。

该研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、厦门大学校长基金等项目的资助，以及厦门大学微纳光电子材料与器件教育部工程研究中心、福建省半导体材料及应用重点实验室等平台的支持。 （福建日报记者 李珂）