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1、微纳结构的信息存储机理及磁电新效应基础研究 公示材料l 申请类别：国家自然科学奖l 项目名称：微纳结构的信息存储机理及磁电新效应基础研究l 项目简介： 现代信息技术对人类文明和社会进步带来了革命性的影响，是现代社会的重要基石。然而，信息的获取、存储、传输和处理持续不断地向着高速、大容量、低能耗方向发展，对传统的半导体和微电子技术提出了严峻的挑战。 微纳米结构处于介观和微观尺度，具有独特新颖的磁电性能，是未来信息技术的发展基础。在国家973，863，国家自然科学基金创新群体等项目系统规划和持续资助下，电子科技大学和中科院微电子所两个课题组通过协同研究，围绕信息技术领域高频电磁波传输调控技术和非易
2、失随机存储技术，探索了基于新型微纳结构实现信息传输、控制及存储的基本理论和技术方法。通过发展人工电磁结构和新型纳米结构，解决了高频电磁波传输和调控的关键技术难题；系统研究了纳米磁性结构、纳米介电氧化物等纳米结构，发现了电子自旋和材料阻变多个新效应和新现象，奠定了高密度非易失性信息存储的理论和技术基础。本项目的8篇代表性论文被SCI他引553次，其中3篇论文为ESI高被引论文。成果被信息领域多位著名学者正面评价和引用，具有重要学术影响力。科学发现点一（代表性论著1, 2）：以微米尺度人工电磁材料为研究对象，发展了适用于高频电磁波的电磁吸收理论模型，提出构建多频/宽带电磁波器件的新方法，在国际上率
3、先研制出多频段高吸收率的微波和太赫兹波吸收器件。成果解决了传统材料吸收效果差、频点单一以及无法应用于高频段的技术难题。科学发现点二（代表性论著3）：系统提出“人工结构”与“纳米材料”相结合构建太赫兹功能器件的创新思想，通过电子信息材料与人工结构的复合，形成了动态调制电磁波的新技术，成功研制出太赫兹波调制器、可调谐微波吸收器和功率衰减器等器件，在太赫兹安检、成像和通信系统中获得应用。科学发现点三（代表性论著4，5, 6）纳米磁性器件是未来非易失存储/逻辑器件应用中处于领先地位的竞争者,具有高速、大密度和无限使用寿命，而如何实现有效的磁矩翻转和进行高效自旋电子注入是制约这一技术的根本障碍。项目围绕
4、这一基础科学问题，揭示了磁性纳米结构中自旋-轨道耦合场效应的本质；研制了用于自旋注入的高介电铁磁性氧化物，构建了色心模型并成功阐述了磁有序形成机制。科学发现点四（代表性论著7，8）。探索了三维存储架构中漏电流产生机理，提出了具有自整流特性的三维RRAM器件，并研制出适用于这一架构的新型纳米超级电容器。研究成果解决了三维集成中的漏电流串扰和传统自整流器件对单晶硅衬底的依赖，并使得构建具有后备动力源的非易失存储器成为可能。l 项目客观评价：科学发现点一首次提出多频电磁波器件实现方法并研制出国际上第一个超材料双频吸收器。电磁超材料著名专家、美国光学学会会士（OSA Fellow）、波士顿大学W. J
5、. Padilla教授评价我们所研制的双频太赫兹波吸收器件为“（太赫兹频段）第一个具有多频特性的器件结构The first structures demonstrated to have multiple resonances50”（引文1）。多频器件在光谱探测与成像系统中具有重要应用价值。中国工程院院士、清华大学周济教授在Scientific reports, 6:28906, 2016评价我们提出的双频超材料吸收器在“探测器、电磁波接收机以及光谱成像仪中具有潜在的应用”；超材料专家、东南大学崔铁军教授（IEEE Fellow）评价该器件“在光谱探测与相位成像应用中极为急需”(urgentl
6、y desiredto spectroscopic detection and phase imaging，OE, 19(2011)9401)。更重要的是，该研究打破了超材料只能窄带应用的认识局限。台湾交通大学Albert Lin教授因此在Scientific reports, 6:36244, 2016评价了我们的工作 “Wen et al. propose the use of multiple resonators in proximity for a broadband response14”。多个团队基于该方法研制出宽带的电磁波吸收器件。包括英国工程院和电磁科学院双院士C. Chri
7、stopoulos教授研制的宽带微波吸收器(OE, 18: 22187 (2011)，剑桥大学N. X. Fang教授研制的可见光宽频吸收器件（Nano Letter. 12: 1143 1147 (2012)），等等。IRMMW-THz会议国际顾问委员会委员、洛斯阿拉莫斯国家实验室H.T. Chen教授在Lasers Photonics Rev. 5 (2011) 513-533特邀评论文章【引文2】中评价本项目的TL模型“漂亮地解释了包括非对称吸收在内的多个吸收现象”。PRB 86 (2012) 205104一文把TL模型跟4种经典电磁波吸收理论相并列，指出只有TL模型 “能够表征和解释超
8、材料吸收器机制”。 发现点二提出人工超颖材料与电子功能材料相结合构建THz调控器件的思想，被IF高达15.63的Annual Review Material Research, 47: 337-367, 2011综述论文评价为“开启了一个新的研究方向”。电子材料专家、四川大学涂铭旌院士等在 ACS Appl. Mater. Interfaces 3(2011)3523-3527一文引述并高度评价我们的这一方法“VO2薄膜材料和电磁超材料的结合开辟了进一步应用的巨大潜力,文等人提出了一种太赫兹超材料与VO2薄膜多层复合的谐振器单元，表现出极大的太赫兹波调制性能21”。洛斯.阿拉莫斯国家实验室副主
9、任A.J. Taylor教授（美国PSA、OSA、LANL学会Fellows）在特邀评论文章 Lasers & Photonics Reviews，5: 513-533, 2011(IF=9.33)中大篇幅报道了我们的研究，认为：“利用温度来调节电磁超材料的共振频率，这种方式可实现太赫兹调制等多种功能器件”。发现点三理论揭示并证实了氧空位（色心）调制室温铁磁性的物理机制并发展出新型自旋存储机理和方法。电子材料专家Z. D. Dohcevic-Mitrovic 教授在Apple. Phys. Lett. 96 (2010)203104一文中高度评价本工作“为实现未来的自旋电子学器件铺就了道路10
10、! paves the road for the realization of future spin-tronic devices10”。S. Maensiri教授等发表在J. Appl. Phys, 112(2012) 113904一文评价我们的研究：“通过掺入微量的Co使得CeO2的室温铁磁性提高了两个数量级！”。影响因子高达33.1的国际顶级综述性期刊Revive Modern Physics在2015年12月发表论文，评价了本项目在铁磁-非磁材料中观察到的自旋-轨道场是证实自旋-轨道场存在的两个实验之一，并且说明自旋磁矩不依赖于所研究的具体结构“In another experime
11、nt, the effective spin-orbit field was found (Fan et al., 2013), suggesting that the spin torque does not rely in the studied structure”. 美国科学促进会会士AAAS Fellow、宾西法尼亚大学N.Samarth教授以及美国康奈尔大学D.C.Ralph教授等人联合在物理学顶级期刊Nature 511 (2014)449上特别提到了这一工作“in particular, it has been discovered that spinorbit interac
12、tions in heavy-metal/ferromagnet bilayers can produce strong current-driven torques on the magnetic layer8”。新加坡国立大学Hyunsoo Yang教授等在Phys. Rev. Lett.111，246602（2013）上引用并评价我们的研究结果：“这一效应由于可以实现低能耗磁化翻转而引起了强烈的研究性兴趣”（the studyhas attracted a strong interest among researchers due to its potential for low pow
13、er magnetization switching19.）发现点四提出的基于a-Si纳米结构实现3维架构自整流和自选通器件的方法受到国际学术界的高度关注和积极评价。我国微电子专家黄如院士在J. Appl Phys., 119:195302 (2016)评价“这种自选通器件能够解决三维集成的漏电流问题”;韩国高丽大学教授Tae Geun Kim在 Appl. Phys. Lett. 106:223506 (2015)评价这种自选通的RRAM器件“在防止漏电流方面是非常重要的”(essential), 而且结果显示具有高的整流比(with high rectifying ratios)。多个学术
14、团队基于我们提出的方法研制出自整流RRAM器件：韩国首尔大学教授Byung-Gook Park (Appl. Phys. Lett. 108:212103 (2016); Current Applied Physics 17:146 (2017)， 台湾交通大学教授，忆阻器的发明人施敏 (IEEE EDL 35:1227 (2014),IEEE EDL 36：1138（2015）)，中科院王阳元院士( Nanotechnology 28, 055204 (2014)等根据这一方法研制出自整流RRAM器件。发现点四发展出的适用于三维存储架构的新型纳米超级电容器技术。新加坡工程院院士（A ES,
15、Fellow）C. Y. Yue教授在J. Power Sources综合文章中评价我们“提出一种有趣的去合金化方法原位研制出高度多孔化纳米结构，具有高比表面积，极高的比容量，高的能量密度和功率密度”(An interesting dealloying process was used by Liang et al. 41a highly nanoporous structure with high SSAa remarkably high SC of 1776 F/g with high energy and power density)。专家、哈工大学柯克教授则评价“该工作提供了一个全新的视野：使用全金属氧化物纳米结构而非碳-金属杂化器件是一个用以替代传统碳电极的好选择26”l 推荐专家意见二、专家推荐意见（单位推荐不填此栏）姓 名刘维民身份证号院 士中国科学院学 部技术科学部最 高 奖是 否年 度工作单位中科院兰州化学物理研究所职 称研究员学科专业功能纳米材料通讯地址兰州市南昌路470号401室邮政编码730000电子邮箱联系电话责任推荐专家 是 否推荐意见：微纳米结构处于介观和微观尺度，具有独特新颖的磁电性能，是未来信息技术发展的基础。该项目围绕信息技术领域高频电磁波传输技术和非易失随机存储技术两个热点方向，探索了基于新型微纳结构实现信息传输、控制及存储的基本理
