研究报告了碲化锗中自旋到电荷转换的铁电开关

这是一幅概念性图像，其特征是将自旋电流(绿色球体)注入硅片上的GeTe晶体中。根据GeTe(褪色的橙色和浅蓝色原子)中铁电极化的方向，输出电荷电流是正的(+)或负的(-)。碲化锗可以与硅进行单片集成，为利用硅技术开发可重构器件铺平了道路。资料来源:Varotto等人。

自旋电子器件是一类利用电子固有自旋来存储或传递信息的结构，在速度和效率方面都被认为是非常有前途的。然而，到目前为止，这些器件的发展一直受到半导体材料和支撑其运行的铁磁自旋源之间兼容性差的阻碍。

事实上，虽然有些半导体可以从横向自旋电流产生电流，反之亦然，但可靠地控制这种自旋电荷转换迄今已被证明是非常具有挑战性的。近年来，一些材料科学家和工程师一直在研究利用铁电Rashba半导体制造自旋电子器件的潜力，这类材料具有一些优越的特性，如半导体性、大自旋轨道耦合和非挥发性。

最近，米兰理工大学(Politecnico di Milano)、格勒诺布尔大学(University Grenoble Alpes)和世界各地其他研究机构的一组研究人员展示了碲化锗(一种已知的Rashba半导体)在室温下的自旋到电荷转换的非挥发性控制。他们发表在《自然电子学》杂志上的论文可能对自旋电子器件的未来发展具有重要意义。

1959年发现的Rashba效应导致了二维凝聚态物质系统中自旋带的动量独立分裂。在铁电Rashba半导体中，这种效应可以通过改变铁电极化方向来逆转。

这些材料中的Rashba自旋分裂可以被控制的想法被S. Picozzi的一系列第一流原理计算所证实，随后在使用碲化锗的光谱实验中得到了验证，因此碲化锗通常被认为是铁电Rashba类半导体的“原型”。

“多亏了铁电态和自旋之间的这种一对一关系，一个能够切换铁电极化的电场将使自旋传输的非易失性控制成为可能，”开展这项研究的研究人员之一克里斯蒂安·里纳尔迪(Christian Rinaldi)告诉TechXplore。“2019年，英特尔的S. Manipatruni和I. Young发表了一项非常鼓舞人心的工作，将基于自旋的电子技术应用于超低功耗设备。英特尔认为自旋电子学的效率和密度缩放远远超过了实际的CMOS技术。”

英特尔在2019年推出的MESO架构可以在纳米磁铁的磁化强度中存储信息。随后，它通过在其他材料中的自旋到电荷转换来处理这些信息。

传统的电子设备处理信息，并利用电荷和电压读取信息。另一方面，基于自旋的电子学利用自旋电子来携带信息。术语“自旋到电荷转换”本质上是指材料在利用电荷进行信息处理和利用电子自旋之间架起桥梁的能力。换句话说，自旋到电荷的转换使自旋电流转换为电压，使电子设备容易读出信息。

资料来源:Varotto等人。

“当我回顾英特尔的解决方案时，我立刻意识到碲化锗可以起到作用，前提是铁电极化的非挥发方向可以改变化合物的自旋到电荷的转换，”Rinaldi说。“这种机制将允许在铁电中存储信息，利用自旋对其进行处理，然后将结果转化为可测量的电压。这是实现超低功耗cmos架构的关键，并可能极大地简化英特尔架构。”

为了证明铁电对自旋到电荷转换的控制，Rinaldi和他的同事首先必须证明，通过对沉积在半导体上的金属接触施加电压脉冲来控制碲化锗中的铁电是可能的。随后，他们向碲化锗注入自旋电流，并测量产生的电荷电流，将其与极化状态进行比较。

“我们通过在碲化锗顶部的薄金属门上施加电压脉冲，演示了半导体的铁电门控，”进行这项研究的萨拉·瓦罗托博士解释说。“我们利用原子力显微镜的导电尖端绘制了栅极下面铁电畴的分布。我们还发现了铁电畴结构和金属/碲化锗结的电阻之间的联系，这是一种很容易进入极化状态的非常有效的方法。”

随后，在研究人员Laurent Vila和Jean-Philippe Attané的监督下，瓦罗托在格勒诺布尔阿尔卑斯大学进行了一系列的自旋泵实验。研究小组激发了与碲化锗样品接触的铁层，向半导体中注入自旋电流。这些实验揭示了自旋电子被碲化锗偏转到左或右，这取决于铁电极化的方向。

“多亏了北德克萨斯大学的Jagoda Slawinska和Marco Buongiorno Nardelli的宝贵工作，我们揭示了自旋霍尔效应是碲化锗中自旋电流转变为电荷电流的原因，”Rinaldi说。“在基于氧化物的二维电子气体中，也证实了类似的自旋电荷转换的非挥发性电控制。这是一项非常重要的发现，目前为止，该系统的工作条件是在低温下，材料可能很难集成到硅上。”

这组研究人员首次证明了在室温下可以在硅上单片集成的半导体中自旋到电荷转换的铁电开关。与过去的努力相比，这是一个显著的成就。

“我们还提出了一种概念逻辑器件，它与英特尔的MESO器件具有良好的比例定律和低功耗，但碲化锗在同一材料中具有存储和自旋转导功能，这一事实提供了一个巨大的整体简化，从而消除了写信息的复杂解决方案，”Rinaldi说。“与我们大脑中发生的事情类似，内存和计算都位于同一个物理空间，在内存计算中有不同的视角。”

在未来，由Rinaldi和他的同事提出的碲化锗自旋到电荷转换的控制策略可以应用于开发新的自旋电子器件。此外，由于他们在论文中理论上提出的设备可以在相同的物理空间中存储和处理信息，类似于人类的大脑，它可能被证明对内存计算应用特别有用。

“我的研究重点是基于自旋的新型量子材料解决方案，以帮助新计算时代的发展，”Rinaldi补充说。“在这个意义上，第一步将包括铁电Rashba半导体材料工程，使这种化合物更接近技术。”