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yexuqing木蟲(chóng)之王 (文學(xué)泰斗)
太陽(yáng)系系主任
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清華師生國(guó)內(nèi)首次以第一單位在《自然》發(fā)表磁電阻領(lǐng)域成果 已有157人參與
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把半導(dǎo)體硅成功引入磁傳感器領(lǐng)域 清華師生國(guó)內(nèi)首次以第一單位在《自然》發(fā)表磁電阻領(lǐng)域成果 將對(duì)磁傳感器和磁存儲(chǔ)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(xué)材料系章曉中教授研究組的最新研究成果——《硅的低場(chǎng)磁電阻的幾何增強(qiáng)》(Geometrical enhancement of low-field magnetoresistance in silicon)，這是國(guó)內(nèi)首次以第一單位在《自然》或《科學(xué)》（Science）雜志上刊登磁電阻領(lǐng)域的研究成果，也是磁電阻領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破。章曉中是本篇論文的通訊作者，他指導(dǎo)的2007級(jí)博士生萬(wàn)蔡華為第一作者。 這項(xiàng)研究成果創(chuàng)造性地將半導(dǎo)體硅這種成熟的工業(yè)材料引入磁傳感器領(lǐng)域，將對(duì)磁傳感器和磁存儲(chǔ)工業(yè)產(chǎn)生革命性的影響。   圖為論文正文首頁(yè)及第二頁(yè)。 為工業(yè)應(yīng)用打開(kāi)一扇門(mén) 磁傳感器是一種可以將各種磁場(chǎng)及其變化的量轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出的裝置，廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的方方面面，如探測(cè)、采集、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換、復(fù)現(xiàn)和監(jiān)控各種磁場(chǎng)和磁場(chǎng)中承載的各種信息，世界上用的最多的磁傳感器就是計(jì)算機(jī)用的讀出磁頭�？梢哉f(shuō)，它已經(jīng)成為信息技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)中不可缺少的基礎(chǔ)原件。隨著信息產(chǎn)業(yè)、工業(yè)自動(dòng)化、交通運(yùn)輸、電力電子技術(shù)、家用電器等的智能化和進(jìn)一步發(fā)展，磁傳感器的應(yīng)用有著無(wú)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(lái)稀土價(jià)格暴漲，研究人員一直在尋找便宜的替代材料。 清華大學(xué)材料系章曉中研究組從2003年開(kāi)始介入這方面的研究。幾年來(lái)，研究組做過(guò)很多嘗試，后來(lái)漸漸將目標(biāo)鎖定在了在自然界存儲(chǔ)量極大、在工業(yè)界應(yīng)用非常成熟的硅上。 2009年，同樣是在《自然》雜志上，國(guó)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(gè)發(fā)現(xiàn)，距離真正的應(yīng)用還很遠(yuǎn)。 當(dāng)時(shí)，章曉中研究組已經(jīng)在嘗試使用硅來(lái)代替磁性金屬。看到這篇論文后，研究組越發(fā)堅(jiān)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(jī)，能夠真正使發(fā)現(xiàn)為工業(yè)所用。 “如果不去打開(kāi)應(yīng)用這扇大門(mén)，不在工業(yè)應(yīng)用方面做出重要的成果，那么對(duì)我們來(lái)說(shuō)研究意義就不是很大。”章曉中回憶起當(dāng)時(shí)的情形。 將硅成功引入磁傳感器領(lǐng)域 早些時(shí)候，人們?cè)谝恍┓谴判园雽?dǎo)體中發(fā)現(xiàn)了由非均勻性導(dǎo)致的異常巨大的磁電阻效應(yīng)（IMR）和線性的磁場(chǎng)依賴(lài)關(guān)系，激起了人們極大的研究興趣。法國(guó)科學(xué)家艾爾伯·費(fèi)爾和德國(guó)科學(xué)家皮特·克魯伯格就因發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)而獲得2007年度諾貝爾物理獎(jiǎng)。 章曉中研究組的研究表明，在摻雜濃度極低的硅中，可通過(guò)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(qiáng)IMR效應(yīng)。利用這一原理，章曉中教授研究組設(shè)計(jì)了一種硅基IMR的原型器件(圖1(a))。通過(guò)調(diào)控器件的幾何結(jié)構(gòu)，這種器件的室溫磁場(chǎng)靈敏度顯著增強(qiáng)，在0.07特斯拉（tesla，國(guó)際單位制中磁感應(yīng)強(qiáng)度或磁通密度的單位。）和0.2特斯拉下分別實(shí)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(jié)構(gòu)優(yōu)化，器件性能還能繼續(xù)提升。  圖為硅基IMR器件的結(jié)構(gòu)和它的磁阻與幾何結(jié)構(gòu)W/L的關(guān)系（a）; 強(qiáng)磁場(chǎng)(b)和低磁場(chǎng)(c)下硅樣品的電阻與磁場(chǎng)的依賴(lài)關(guān)系。 這種兼具低場(chǎng)靈敏度和巨磁電阻效應(yīng)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(chǎng)范圍，因而對(duì)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(dǎo)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(dòng)傳統(tǒng)金屬基磁電子學(xué)向半導(dǎo)體基磁電子學(xué)特別是向硅基磁電子學(xué)的升級(jí)。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(gè)硅片上。 更進(jìn)一步，考慮到硅是目前制備太陽(yáng)能電池的主流材料，還可以在同一硅片上制備一個(gè)太陽(yáng)能電池，從而制備出不用外接電源的自驅(qū)動(dòng)磁傳感器。硅基IMR器件的發(fā)明將對(duì)目前的磁傳感器和磁存儲(chǔ)工業(yè)帶來(lái)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(chǔ)量低、成本高，并且只能在較弱的磁場(chǎng)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(dǎo)體工業(yè)材料，我們的研究將半導(dǎo)體硅這種使用廣泛且成熟的材料實(shí)證性地運(yùn)用于磁傳感領(lǐng)域，并且不管是在弱磁場(chǎng)還是強(qiáng)磁場(chǎng)都能夠使用。這為磁傳感器工業(yè)打開(kāi)了另一扇門(mén)�！� 章曉中興奮地說(shuō)。 事實(shí)上不僅如此，章曉中研究組的研究成果證實(shí)了硅可以是優(yōu)秀的磁傳感器材料，那么其他半導(dǎo)體材料可不可以？將半導(dǎo)體硅應(yīng)用到磁傳感器和磁存儲(chǔ)工業(yè)，也還有很長(zhǎng)的路要走。研究組的開(kāi)創(chuàng)性工作實(shí)質(zhì)上也為磁電阻領(lǐng)域、磁傳感器工業(yè)開(kāi)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(xué)生相得益彰 研究組能夠做出如此的成績(jī)，與章曉中平時(shí)對(duì)學(xué)生科研意識(shí)和能力的培養(yǎng)密不可分。 除了基礎(chǔ)的科研訓(xùn)練，章曉中非常注重培養(yǎng)學(xué)生對(duì)本專(zhuān)業(yè)、本領(lǐng)域研究的前沿意識(shí)。他訂閱了《自然》和《科學(xué)》的電子版摘要，每期都會(huì)把其中跟本專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域相關(guān)的文章推薦給學(xué)生閱讀，讓學(xué)生在埋頭做實(shí)驗(yàn)的同時(shí)也能抬起頭來(lái)放眼世界。同時(shí)，他也注重對(duì)學(xué)生國(guó)際視野的培養(yǎng)，他鼓勵(lì)研究組的學(xué)生多進(jìn)行國(guó)際交流。萬(wàn)蔡華讀博期間，與研究組其他學(xué)生一樣，章曉中曾送他到比利時(shí)進(jìn)行為期三個(gè)月的交流，接下來(lái)，他還將去日本東京大學(xué)進(jìn)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(wàn)蔡華。 牛津大學(xué)博士畢業(yè)、曾在英國(guó)皇家研究院、新加坡國(guó)立大學(xué)工作多年的章曉中經(jīng)過(guò)了近三十年的科研訓(xùn)練，有著扎實(shí)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)、獨(dú)到的專(zhuān)業(yè)眼光、寬廣的國(guó)際視野和豐富的科研經(jīng)驗(yàn)，而這正是碩士生、博士生們所缺少的。這種老師和學(xué)生的結(jié)合非常相得益彰。“學(xué)生們通常有很多的點(diǎn)子，睡一覺(jué)起來(lái)就可能冒出來(lái)兩個(gè)想法，在整個(gè)科研過(guò)程中，與老師的溝通非常重要。” 萬(wàn)蔡華如是說(shuō)。 從2009年底介入這個(gè)項(xiàng)目的研究，萬(wàn)蔡華做了近兩年�！斑@期間，也遇到過(guò)瓶頸，都覺(jué)得做不下去了，甚至產(chǎn)生放棄的念頭�！本驮谶@時(shí)，與導(dǎo)師章曉中的一次溝通成為了解決問(wèn)題的關(guān)鍵�！拔覀冄芯拷M在以往的實(shí)驗(yàn)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(lái)推導(dǎo)證明，結(jié)果就遇到了瓶頸。在那次談話中，老師建議我先用實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)論證，再去尋求理論的支撐。我頓然開(kāi)悟。” 作為一名做了四年多科研并在世界頂級(jí)科學(xué)雜志以第一作者身份發(fā)表論文的博士生，總結(jié)起自己的科研經(jīng)驗(yàn)，萬(wàn)蔡華給師弟師妹們的建議是： “看文獻(xiàn)是必要非充分條件，但是不要迷信文獻(xiàn)，包括《自然》、《科學(xué)》。膽子要大、要敢想，要有破有立。” 編輯：文君 |
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