研究团队在Gyodja-seong氧化钌材料中实现可逆自旋信号转换成功
超高速·超低功耗自旋电子学半导体应用成果刊登于Nano Letters
在似乎已无路可走的半导体工艺领域，一股新风正悄然吹入。UNIST揭示的“第三种磁性”的存在及其信号控制原理，如同未来器件技术的一缕曙光。
韩国国内研究团队成功在教磁体材料中改变自旋的有序排列方向，从而实现了翻转转换信号方向。
有评价认为，这为在无需复杂结构或强磁场的条件下，仅通过电流即可实现开关操作的低功耗自旋半导体器件开发打开了突破口。
UNIST新材料工程系 Yoo Jeongwoo 教授与物理学系 Son Changhee 教授团队于10日表示，他们通过实验证明，在氧化钌教磁材料中可以可逆地控制自旋-电荷转换。
研究团队，（自左起）教授 Yoo Jeongwoo、教授 Son Changhee、博士 Jeong Hyeonjeong、研究员 So Gimok。UNIST提供
View original image氧化钌近来在半导体领域被归类为兼具铁磁性与反铁磁性材料优点的第三种磁性材料——“教磁体”，因此备受关注。从理论上看，利用这种材料可以制造出突破传统半导体器件速度极限并将能效最大化的自旋半导体。但若要用磁性材料制作类似半导体的电子器件，就必须将“自旋”信号转换为电路能够识别的电流信号（自旋-电荷转换），而对于教磁材料而言，相关成熟控制技术仍然不足。
研究团队通过实验证明，只要调控该材料内部自旋有序排列方向——奈尔矢量（Neel vector），自旋向电荷电流的转换方向（极性）就会完全反向翻转。也就是说，仅通过将材料内部的磁性排列状态旋转180度，就能可逆地改变输出电信号的正（+）负（-）极性。这一原理有助于在无需外部持续供电的“非易失性”存储器件中，清晰地区分和控制“0”和“1”两种状态。
在既有技术中，为了控制这类信号转换，通常需要构筑复杂的多层结构，或利用强外部磁场。
研究团队自研器件并加以制作，从而验证了上述现象。他们在二氧化钛（TiO₂）衬底上依次沉积氧化钌（RuO₂）、钴铁硼（CoFeB）薄膜，制备出器件后，开展了将由钴铁硼薄膜温差产生的自旋信号注入氧化钌的实验。自旋信号在氧化钌中被转换为电荷信号，研究团队对该信号进行了测量。
联合研究团队表示：“本研究通过实验确认，在教磁体中可以可逆调控自旋信号”，“这一原理有望应用于基于自旋的下一代逻辑器件和存储器件的设计”。
本次研究自2024年9月起在科学技术信息通信部“极限挑战研究开发项目”的资助下开展。该项目是韩国为快速推进以既有方式难以实现的高难度、高影响力基础科学研究而设计的一套创新型研究开发体系。研究团队在这一支持基础上，从材料合成到器件制作与测量，再到论文发表，用短短一年多时间完成了全部流程，取得了卓越成果。
负责该项目的极限挑战战略中心责任项目经理 Kim Dongho 表示：“此次成果是无惧失败、敢于挑战的创新挑战型研究的典型案例，今后我们将持续给予有力支持，推动该技术发展成为我国半导体产业的核心战略技术。”
本次研究由UNIST新材料工程系 Jeong Hyunjung 研究员（现为GIST InnoCore博士后研究员）和物理学系 So Gimok 研究员以第一作者身份参与，研究成果于11月25日发表在纳米科学与材料领域国际权威期刊《Nano Letters》上。
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