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清華師生國內首次以第一單位在《自然》發(fā)表磁電阻領域成果 已有157人參與
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把半導體硅成功引入磁傳感器領域 清華師生國內首次以第一單位在《自然》發(fā)表磁電阻領域成果 將對磁傳感器和磁存儲工業(yè)產(chǎn)生革命性影響 清華新聞網(wǎng)9月15日電 （記者 呂露英 李 含）今天出版的《自然》（Nature）上刊登了清華大學材料系章曉中教授研究組的最新研究成果——《硅的低場磁電阻的幾何增強》(Geometrical enhancement of low-field magnetoresistance in silicon)，這是國內首次以第一單位在《自然》或《科學》（Science）雜志上刊登磁電阻領域的研究成果，也是磁電阻領域的一項重大突破。章曉中是本篇論文的通訊作者，他指導的2007級博士生萬蔡華為第一作者。 這項研究成果創(chuàng)造性地將半導體硅這種成熟的工業(yè)材料引入磁傳感器領域，將對磁傳感器和磁存儲工業(yè)產(chǎn)生革命性的影響。   圖為論文正文首頁及第二頁。 為工業(yè)應用打開一扇門 磁傳感器是一種可以將各種磁場及其變化的量轉變成電信號輸出的裝置，廣泛應用于社會生活的方方面面，如探測、采集、存儲、轉換、復現(xiàn)和監(jiān)控各種磁場和磁場中承載的各種信息，世界上用的最多的磁傳感器就是計算機用的讀出磁頭。可以說，它已經(jīng)成為信息技術和信息產(chǎn)業(yè)中不可缺少的基礎原件。隨著信息產(chǎn)業(yè)、工業(yè)自動化、交通運輸、電力電子技術、家用電器等的智能化和進一步發(fā)展，磁傳感器的應用有著無限的空間。以前磁傳感器一直用磁性材料和稀土材料制作，由于近年來稀土價格暴漲，研究人員一直在尋找便宜的替代材料。 清華大學材料系章曉中研究組從2003年開始介入這方面的研究。幾年來，研究組做過很多嘗試，后來漸漸將目標鎖定在了在自然界存儲量極大、在工業(yè)界應用非常成熟的硅上。 2009年，同樣是在《自然》雜志上，國外同行發(fā)表了一篇論文，指出在硅中可以產(chǎn)生很大的磁阻。但這篇論文只是展示了這個發(fā)現(xiàn)，距離真正的應用還很遠。 當時，章曉中研究組已經(jīng)在嘗試使用硅來代替磁性金屬�？吹竭@篇論文后，研究組越發(fā)堅定了沿著這條路走下去的決心，但是必須要做出更大的成績，能夠真正使發(fā)現(xiàn)為工業(yè)所用。 “如果不去打開應用這扇大門，不在工業(yè)應用方面做出重要的成果，那么對我們來說研究意義就不是很大。”章曉中回憶起當時的情形。 將硅成功引入磁傳感器領域 早些時候，人們在一些非磁性半導體中發(fā)現(xiàn)了由非均勻性導致的異常巨大的磁電阻效應（IMR）和線性的磁場依賴關系，激起了人們極大的研究興趣。法國科學家艾爾伯·費爾和德國科學家皮特·克魯伯格就因發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應而獲得2007年度諾貝爾物理獎。 章曉中研究組的研究表明，在摻雜濃度極低的硅中，可通過少數(shù)載流子注入的方式引入遷移率的空間非均勻性，從而增強IMR效應。利用這一原理，章曉中教授研究組設計了一種硅基IMR的原型器件(圖1(a))。通過調控器件的幾何結構，這種器件的室溫磁場靈敏度顯著增強，在0.07特斯拉（tesla，國際單位制中磁感應強度或磁通密度的單位。）和0.2特斯拉下分別實現(xiàn)了10％和100％的磁電阻（圖1(b)和(c)），接近了商用巨磁阻(GMR)器件的水平。隨著器件的微型化和結構優(yōu)化，器件性能還能繼續(xù)提升。  圖為硅基IMR器件的結構和它的磁阻與幾何結構W/L的關系（a）; 強磁場(b)和低磁場(c)下硅樣品的電阻與磁場的依賴關系。 這種兼具低場靈敏度和巨磁電阻效應的硅基IMR器件可以覆蓋從0.05特斯拉到至少數(shù)特斯拉的磁場范圍，因而對磁傳感器工業(yè)具有非常大的吸引力。特別是考慮到該器件是基于傳統(tǒng)的半導體硅材料，因而這種器件還可以很方便地集成到傳統(tǒng)的硅基微電子工業(yè)中，從而推動傳統(tǒng)金屬基磁電子學向半導體基磁電子學特別是向硅基磁電子學的升級。目前磁傳感器/讀出磁頭由磁性金屬材料制造，邏輯控制部件由硅制造，今后采用硅基磁電阻器件，傳感器和控制部分可以集成在同一個硅片上。 更進一步，考慮到硅是目前制備太陽能電池的主流材料，還可以在同一硅片上制備一個太陽能電池，從而制備出不用外接電源的自驅動磁傳感器。硅基IMR器件的發(fā)明將對目前的磁傳感器和磁存儲工業(yè)帶來革命性的變化。 “以前的磁傳感器是用磁性金屬或稀土材料制作，它們儲量低、成本高，并且只能在較弱的磁場下使用。硅作為僅次于氧的最豐富的元素存在于地殼中，便宜易得，作為磁傳感器材料噪音小，并且硅是一種非常成熟的半導體工業(yè)材料，我們的研究將半導體硅這種使用廣泛且成熟的材料實證性地運用于磁傳感領域，并且不管是在弱磁場還是強磁場都能夠使用。這為磁傳感器工業(yè)打開了另一扇門�！� 章曉中興奮地說。 事實上不僅如此，章曉中研究組的研究成果證實了硅可以是優(yōu)秀的磁傳感器材料，那么其他半導體材料可不可以？將半導體硅應用到磁傳感器和磁存儲工業(yè)，也還有很長的路要走。研究組的開創(chuàng)性工作實質上也為磁電阻領域、磁傳感器工業(yè)開辟了一條道路，而這條道路，又可以延伸出多條蜿蜒的道路。 老師與學生相得益彰 研究組能夠做出如此的成績，與章曉中平時對學生科研意識和能力的培養(yǎng)密不可分。 除了基礎的科研訓練，章曉中非常注重培養(yǎng)學生對本專業(yè)、本領域研究的前沿意識。他訂閱了《自然》和《科學》的電子版摘要，每期都會把其中跟本專業(yè)領域相關的文章推薦給學生閱讀，讓學生在埋頭做實驗的同時也能抬起頭來放眼世界。同時，他也注重對學生國際視野的培養(yǎng)，他鼓勵研究組的學生多進行國際交流。萬蔡華讀博期間，與研究組其他學生一樣，章曉中曾送他到比利時進行為期三個月的交流，接下來，他還將去日本東京大學進行交流。  圖為章曉中研究組在工作中。右一為章曉中，右二為萬蔡華。 牛津大學博士畢業(yè)、曾在英國皇家研究院、新加坡國立大學工作多年的章曉中經(jīng)過了近三十年的科研訓練，有著扎實的專業(yè)知識、獨到的專業(yè)眼光、寬廣的國際視野和豐富的科研經(jīng)驗，而這正是碩士生、博士生們所缺少的。這種老師和學生的結合非常相得益彰。“學生們通常有很多的點子，睡一覺起來就可能冒出來兩個想法，在整個科研過程中，與老師的溝通非常重要�！� 萬蔡華如是說。 從2009年底介入這個項目的研究，萬蔡華做了近兩年�！斑@期間，也遇到過瓶頸，都覺得做不下去了，甚至產(chǎn)生放棄的念頭�！本驮谶@時，與導師章曉中的一次溝通成為了解決問題的關鍵�！拔覀冄芯拷M在以往的實驗中隱約發(fā)現(xiàn)了硅有一些有意思的特性，但我總想先從理論上來推導證明，結果就遇到了瓶頸。在那次談話中，老師建議我先用實驗的方法來論證，再去尋求理論的支撐。我頓然開悟。” 作為一名做了四年多科研并在世界頂級科學雜志以第一作者身份發(fā)表論文的博士生，總結起自己的科研經(jīng)驗，萬蔡華給師弟師妹們的建議是： “看文獻是必要非充分條件，但是不要迷信文獻，包括《自然》、《科學》。膽子要大、要敢想，要有破有立�！� 編輯：文君 |
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