西安交大科研人员成功实现电场大范围调控自旋霍尔角
通过自旋轨道矩(SOT)实现电流驱动磁化翻转的方法,具有响应快、功耗低、高稳定性等天然优势,是开发下一代自旋存储和逻辑器件的重要基础。基于这一原理设计的自旋轨道矩磁随机存储器(SOT-MRAM)有望成为新一代超高性能非易失性存储器,具有广阔的应用前景。
在该器件中,电流流经具有强自旋轨道耦合的非磁性材料并转化为自旋流注入临近的铁磁层中实现磁化翻转。自旋霍尔角作为衡量电荷流与自旋流转化效率的关键参数,直接影响到整个存储器件的性能与功耗表现。因此,寻找具有强自旋轨道耦合与高自旋霍尔角的材料,是构建低功耗自旋转矩器件的核心诉求。近年来有报道Bi2Se3、Bi2Te3等拓扑绝缘材料凭借其独有的自旋-动量锁定机制而具有极高的自旋霍尔角。如何通过原理与技术创新,对材料的自旋霍尔角实现调控与增强,在当今自旋电子学领域具有重要的理论和应用价值。
针对上述科学问题,西安交通大学电信学部刘明教授团队在PMN-PT衬底上构建了Bi2Se3/NiFe结构的霍尔器件。通过在衬底上原位施加纵向电场对Bi2Se3自旋霍尔角进行调控,调控效果具有良好的稳定性与可回复性。最高实现了Bi2Se3自旋霍尔角600%的增强。
通过设计对照实验表明对Bi2Se3自旋霍尔角大范围调控与增强的机理源自铁电衬底的电致应力与极化翻转所带来的表面电荷掺杂的双重作用。第一性原理计算表明应力与电荷掺杂可以显著改变Bi2Se3费米能级处的贝里曲率,进而对自旋霍尔角产生有效调控。该工作对自旋霍尔角的大范围调控与增强可有效降低SOT-MRAM器件中磁化翻转所需的临界电流,在设计低功耗与可调谐自旋电子器件中具有重要意义。
该研究结果以“电场大范围调控Bi2Se3自旋霍尔角”(Giant tunable spin Hall angle in sputtered Bi2Se3 controlled by an electric field)为题,在国际著名期刊《自然通讯》(Nature Communications)上发表。
论文链接:网页链接
刘明教授团队主页:网页链接
西湖大学 :二维铁电调控量子自旋霍尔效应—二维铁电拓扑绝缘体
研究背景
具有自发极化的铁电材料(ferroelectrics)和具有导电边缘态的拓扑绝缘体(topological insulator)是两种被广泛关注和研究的功能材料。然而,由于拓扑绝缘体的带隙往往非常小,而铁电材料大都是宽带隙的绝缘体,使得铁电性和能带的拓扑性难以在同一个材料中共存。此外,目前已发现的少量铁电拓扑材料大都为 I 型铁电拓扑材料,即其铁电性和能带拓扑性的起源不同,导致耦合较弱,难以实现协同调控。我们注意到,近年来新发现的二维铁电材料具有较小的带隙,并且可以通过堆叠的方式进一步调节带隙的大小,这为实现强耦合的二维铁电拓扑绝缘体提供了潜在的可能性。
论文详情
基于上述背景,借鉴多铁材料的分类,西湖大学刘仕课题组提出了 II 型二维铁电拓扑绝缘体 (type-II ferroelectric topological insulator) 的设计方法。该方法基于拓扑平庸的二维铁电材料构建双层异质结构,利用铁电材料中由面外自发极化产生的内建电场来控制能带反转 (band inversion),进而调控能带的拓扑性,实现铁电性与能带拓扑性的共存与强耦合。西湖大学李牮课题组通过有效哈密顿量方法,证明能带反转强度的不断增强能够实现平庸-非平庸-平庸的连续拓扑相变。刘仕课题组通过第一性原理计算,在 In2Se3/In2S3 等一系列双层异质结构中,观察到了能带拓扑和极化方向的高度耦合:通过改变铁电材料的极化方向,直接控制量子自旋霍尔效应的开关。进一步,基于 II 型二维铁电拓扑绝缘体设计了如畴壁量子电路和拓扑忆阻器等器件,为实现非易失多态量子自旋霍尔效应存储和可调拓扑超导等提供了新思路。该工作得到了国家自然科学基金、西湖大学交叉学科初创中心以及西湖教育基金会的支持。
研究亮点
1. 根据设计原理,II 型二维铁电拓扑绝缘体的构建不依赖于拓扑非平庸材料,可直接由拓扑平庸的二维铁电材料堆叠构成。
图 1. II型二维铁电拓扑绝缘体的设计原理。a 和 b 分别表示了单层和双层二维铁电材料中由退极化场导致的能带弯曲(band bending)。c 和 d 展示极化翻转对能带反转的调控,其中 c 为潜在的拓扑非平庸态,d 为未发生能带反转的拓扑平庸态。
2. 不同于铁电性与拓扑性具有不同起源的传统 I 型铁电拓扑绝缘体,在 II 型二维铁电拓扑绝缘体中,铁电性与能带拓扑性高度耦合,可通过控制极化方向实现对量子霍尔态的开关。
图 2. 由第一性原理计算得到的 In2Se3/In2S3 异质结构对应的能带结构与导电边缘态。UU (up-up)和 DD (down-down) 代表不同的极化取向,UU 对应拓扑平庸态,DD 对应拓扑非平庸态。
3. 基于 II 型二维铁电拓扑绝缘体的特性,设计了二维铁电拓扑忆阻器,为实现信息非易失多态存储提供了新思路。
图 3. 由异质双层组成的非易失性拓扑忆阻器。UU 为拓扑平庸态,DD 为拓扑非平庸态。对于包含 N 层 II 型二维铁电拓扑绝缘体的堆叠结构,边缘电导可以写入 0 到 2Ne2/h。
论文信息
On-demand quantum spin Hall insulators controlled by two-dimensional ferroelectricity
Jiawei Huang, Xu Duan, Sunam Jeon, Youngkuk Kim, Jian Zhou, Jian Li*(李牮,西湖大学) and Shi Liu*(刘仕,西湖大学)
Materials Horizons. ,
网页链接
前几天我的电动车坏掉了,我换了一个控制器,原来是500瓦的,换了一个600瓦的,一直加速没问问题,车在跑的过程中,松掉电门,再加电门时,后轮电机就会出现顿挫震动一下,屁股明显感觉到震动,然后又正常行驶,只要二次加电门就出现卡顿的顿挫感!我把控制器所有线都重新安装了一遍,还是没解决。我感觉是霍尔电路不能快速响应变相造成的,只能先换控制器再试,或者同规格电机,看谁的问题。我猜是控制器。
具有显著垂直磁各向异性的二维范德华Fe3GaTe2的室温本征铁磁性研究
具有强垂直磁各向异性(PMA)的室温本征铁磁性对于磁电子器件的开发是至关重要的,如磁隧道结和磁随机存储器等,其中本征铁磁二维范德华(vdW)材料更是促进了自旋隧道效应晶体管、电子隧穿结、巨磁阻器件及自旋显微镜等多种多功能自旋电子器件的发展。通常情况下,二维各向同性系统中的长程铁磁性容易受到热波动的影响,但可以通过磁各向异性引起的自旋波激发来调节。然而到目前为止,室温PMA只存在于常规的非vdW铁磁薄膜中,具有室温以上的居里温度和显著PMA的二维vdW本征铁磁晶体仍然较少,这对于电控铁磁和下一代二维低功率磁电子和自旋电子器件具有重要意义。
近日,华中科技大学常海欣教授研究团队采用自熔法制备了一种具备显著的PMA的二维vdW铁磁晶体Fe3GaTe2,居里温度达到350 K以上,是已知二维vdW铁磁晶体能达到的最高居里温度,其饱和磁矩高达40.11 emu/g,利用第一性原理计算自旋分辨的态密度在自旋向上和自旋向下之间表现出明显的不对称性,这与观察到的本征铁磁性相一致。此外,还实现了室温下基于Fe3GaTe2的厚度和角度相关的反常霍尔器件和直接磁畴成像技术,该工作对基于二维vdW铁磁晶体和各种vdW异质结构的下一代磁电子学和自旋电子学具有重要意义。
文章链接:
G. Zhang, F. Guo, H. Wu, X. K. Wen, et al. Above-room-temperature strong intrinsic ferromagnetism in 2D van der Waals Fe3GaTe2with large perpendicular magnetic anisotropy. Nat. Commun. 13, 5067 ().
网页链接
二维范德华材料合成方法最新进展
自发现石墨烯以来,在过去十年中,二维范德华材料的物理基础研究取得了重大进展,实际应用也取得了巨大成功。迄今为止,范德华材料仍然是一个充满活力和快速扩展的领域,
近日,来自成都中国电子科技大学刘富才教授和新加坡南洋理工学院刘政教授领导的研究团队联合在National Science Review (IF:23.178)上以Recent progress in the synthesis of novel two-dimensional van der Waals materials为题发表综述文章,回顾了二维材料领域的新兴的热门物理主题和有趣的材料,如二维拓扑材料、压电材料、铁电材料、磁性材料和扭曲异质结构。然后,文章详细讨论了各种范德华材料的合成策略,包括生长机理、制备条件和典型实例。最后,文章展望了在蓬勃发展的二维材料领域的前景和进一步的发展机会。
自首次分离石墨烯以来,二维材料因其有趣的物理特性而受到广泛关注。二维材料通过强层内共价键结合,并通过弱层间范德瓦尔斯(vdW)力集成。由于反缺陷结合强度,二维材料可以一层一层地切割,并保持其结构完整性直至原子厚度,这为研究低维物理和制造各种应用的异质结构提供了一个新平台,如场效应晶体管(FET)、光电子和传感器等等。
最近,在二维材料中报道了新的现象,如铁电、压电和磁性,这些现象传统上仅在体材料或沉积膜中实现。同时,二维材料还出现了许多令人振奋的物理量子现象,如超导性、拓扑保护表面态和异常量子霍尔效应,为未来量子技术奠定了基础和基础。由于悬垂的无键表面,不同的二维薄片可以方便地堆叠在一起以制造异质结构或扭曲莫尔图案,为实现原子界面设计、能带工程和晶体对称性调节提供了有力工具。
然而,挑战在于,上述所有物理特性都依赖于高质量二维材料,与集成电路的兼容性和未来的商业化需要大规模合成技术。为了应对这些挑战,学术界一直致力于探索和研究二维材料的各种合成方法。基本上,二维材料的合成方法可分为两类,即自顶向下方法和自下而上方法。
在自上而下的方法中,首先通过化学气相传输(CVT)或熔剂生长法获得高质量大块晶体,然后通过各种剥离技术将晶体分离成原子薄片。相反,在自下而上的方法中,vdW原子薄片是通过直接在衬底上组装原子来制备的,如化学气相沉积(CVD)、分子束外延(MBE)或物理气相沉积法(PVD)。在自下而上和自上而下的方法中,不同的薄片可以进一步堆叠在一起,这为实现各种异质结构提供了一个有趣的平台。
近年来,在合成大规模高质量二维材料领域取得了巨大进展。在这篇综述中,研究人员首先简要概述了一些新兴的二维材料系统,如拓扑绝缘体/超导体、压电体、铁电体、磁学和具有优异物理性能的扭角结构。然后,文章重点介绍了制备二维材料的各种策略。在自顶向下方法方面,文章阐述了体vdW晶体合成方法的机理和可行性。详细讨论了各种剥落方法的优点和机理,特别是两种最有前景的剥落方法:电化学插层剥落和辅助机械剥落。关于自底向上方法,文章讨论了在使用金属氧化物作为前驱体的情况下成核生长的机制,以及盐在盐辅助CVD中的作用。同时,讨论了晶片级二维材料(如六方氮化硼(h-BN)、MoS2和WSe2)的生长机理和实验进展。最后,文章展望了二维材料蓬勃发展领域的前景和进一步机遇。
微电子所在GaN基p沟道器件研究方面取得新进展
近日,中国科学院微电子研究所高频高压中心刘新宇研究员团队与中国科学院苏州纳米所孙钱研究员团队合作,基于前期在高性能n沟道超薄势垒增强型HEMT(或n-FETs)研究中积累的研发基础,结合氮化物特有的极化能带调控引入AlN极化插入层,获得了面密度2.1×1013 cm-2的二维空穴气(2-D Hole Gas,2DHG),为高性能p-FETs乃至GaN基CMOS的研制奠定了材料基础。同时,团队通过引入重掺杂p++-GaN盖帽层初步改善了p-FETs经常存在欧姆接触势垒的问题,并基于团队开发的低损伤p-GaN刻蚀,创新设计出一种阶梯式栅槽刻蚀的增强型GaN基p-FET(图1(a)),克服了由重掺杂p++-GaN层导致的器件击穿降低的不足。
图1.(a)GaN基p-FETs器件结构图;(b)刻蚀与未刻蚀欧姆金属之间p++-GaN的TLM测试结果图;(c)接触区能带图;(d)AFM测得的栅槽截面图
GaN材料具有大禁带宽度(~3.4 eV, Si: ~1.1 eV)、高临界击穿电场(~3.3 MV/cm, Si: ~0.3 MV/cm)、高电子漂移饱和速度(~2.5×107 cm/s, Si: ~1×107 cm/s)及高热导率、高化学稳定性等性能优势,因此非常适用于高频、高功率电力电子及射频器件的制备。目前,基于AlGaN/GaN异质结构的高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistors, HEMTs)在手机快充及5G通信领域均已经实现了产业化应用,发挥着不可替代的作用。然而,GaN分立器件的逻辑控制和前级驱动目前大多仍是采用Si基的数字电路,极大的制约了GaN器件高频应用优势的发挥,阻碍了GaN器件在芯片电源管理,以及高温、辐照等极端场景下的应用拓展。互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)由于其突出的静态功耗优势,是目前逻辑控制芯片中普遍应用的技术方案,因此基于GaN材料的CMOS技术是推动GaN功率集成电路产业发展至关重要的技术支撑,必将进一步推动GaN功率芯片的智能小型化。
GaN基CMOS技术发展面临的主要瓶颈之一是高性能p沟道场效应晶体管(p-channel Field Effect Transistors, p-FETs)的研制。本研究发现,外延片表面整体生长的Mg受主重掺杂p++-GaN层可以有效降低欧姆接触电阻至15.69 Ω·mm(图1(b)),同时,结合霍尔测试和能带仿真计算结果证明了在p-GaN/AlGaN之间插入的AlN极化增强层可以有效提升二维空穴气面密度至2.1×1013 cm-2(图1(c)),二者对于提升GaN基p-FET的电流能力都有重要的作用。但另一方面,p++-GaN层的引入会使器件的耐压下降,研究团队首先基于TCAD仿真计算确定了器件的击穿主要发生在T型栅靠近漏端的栅帽边缘处,进而提出了阶梯式栅槽刻蚀的技术方案(图1(d)),通过将栅金属与p++-GaN层在空间上进行分离,在实现增强型及低欧姆接触电阻的同时,提高了p-FET的击穿电压。本研究制备的GaN基p-FET具有106的高电流开关比、-5.6 mA/mm的电流密度及-52 V的击穿电压(图2),性能指标均处于国际先进水平(图3)。
图2. GaN基p-FETs的(a)转移特性曲线;(b)输出特性曲线;(c)耐压测试曲线
图3. 本研究GaN基p-FETs的电流密度、电流开关比及击穿电压与国内外同类型器件对比图
刚才有网友质疑我,说钳形表能卡直流吗?
以前我也是认为钳形表只能卡交流电流,不能卡直流,因为钳形表的原理就同变压器一样,初级流过交流电流,在次级就感应出电流,经过表内部电路换算,就求出电流值。而直流由于是不变的,所以在次级就不能感应出电流,因而就无法测量。
就在前年,我们公司买了福禄克钳形表,这才知道有能卡直流的钳形表,这种表是根据霍尔效应原理制成的,并且能测真有效值,这个功能很有用,就是可以卡变频器输出的电流,由于变频器输出的不是真正的正弦波,而是由方波模拟出的正弦波,如果用普通的感应式的钳形表是测不准的,而用真有效值钳形表则可以测准。
《核心舱技术太过先进!再科普一项“天和号”的黑科技!》[玫瑰][玫瑰][鼓掌][鼓掌]
空间站由于在近地轨道运行,很容易因为地球引力的影响,让空间站的轨道降低,这个时候就需要使用推进器来抬升轨道,以维持空间站在正确的轨道长久运行!
霍尔电推进系统并不是新科技,美国也有,但美国还没把霍尔推进器用在空间站上,该推进器推力并不大,反而很小,但它可以做到精准易控,而且有效推力时间长!它主要用来辅助空间站来抵抗地球引力的影响!别小看了,装备这种推进器后,空间站可以节省大部分的燃料,因为轨道维持是持续的!这样天舟货运飞船也就可以少飞几次了,长久来看,空间站的运行成本就会小很多![赞][赞][赞][赞]天宫号空间站运行一年的燃料补给,天舟货运飞船只要飞一次就够![鼓掌][鼓掌]
美国主要研发方向是离子推进器,我们是霍尔推进器,离子推进器推力小,但比冲高,适合小型航天器,霍尔推力相对更大,但比冲小,适合大型航天器。ps:我们也有离子推进器,中国是世界第二个研制出离子推进器的国家!
霍尔推进器工作原理:将推进剂电离化,让原子核变为电子和离子,然后质量较高的离子经过磁场加速,最后产生反推力!当然电子在最后还是会和离子进行中和,防止发动机积累有害电荷,霍尔推进器的喷气速度可以达到20-30km/s,而普通推进器的喷气速度只能达到2-3km/s!从这里就能看出,霍尔推进器是非常节能的!
天宫号是首个安装霍尔推进器的空间站![鼓掌][鼓掌][鼓掌]
据分析,达到同样的维轨效果,装备霍尔推进器的航天器,可以少携带90%的推进剂!这是多大的诱惑??[鼓掌][鼓掌][鼓掌][鼓掌]
一般行业工程师的日常开发是用不到角度传感器,但并不是代表角度传感器没有用武之地。SC60224采用16脚的SSOP封装,是一款非接触式高精度磁编码器芯片,芯片中心内置了霍尔感应点矩阵,通过感应上方的一对极磁铁产生正弦和余弦位置信号。芯片内部的模数转换电路对放大后的正弦和余弦信号进行采样,DSP电路进行角度运算,最后输出各种位置信号。SC60224的分辨率达到12个比特,每个圆周可以产生4096个角度增量信号,零位信号的位置可通过SPI接口编程,最高支持20krpm。增量式输出接口通过A、B、Z引脚输出,最大可以输出1024线,根据实际使用需求,可以编程为整数线和二进制线数。SC60224芯片也能提供12比特的PWM输出信号,只需要一根数据线就可以传输绝对位置信号。
什么是单缝衍射?简单说,与n缝干涉一样,就是波束的叠加在栅后空间形成的谱。从波动方程的解来解释,就是波动方程给定约束(边界条)后,形成的解集。这里波动方程的解很复杂,通常经典的实波方程,解里分连续解和孤立解,连续解就是波,连续、连绵在一起的波;孤立解,也叫孤波,或孤子,可以像粒子一样运动而不弥散。最先观察到孤波的是在水波中,像个子弹一样传播很远而不散,后来,又在声波、光波中发现,通常行家都称其为孤子;如声孤子、水孤子、光孤子,相应地有声孤子应用,光孤子通信,光孤子通信系统,这是一项非常非常有前途的通信系统,已经在如火如荼地研发中。
薛定谔方程就是建立在微观世界的波动方程;它开始是用牛顿思想体系搭建的,在其上引入量子概念,建立在复变函数之上的复波动方程。所以说,薛定谔方程同样要在约束条件下求解,从而获得连续解和孤立解。最典型的应用就是原子能级图,也就是从孤解(孤波、孤子),所谓的能级,到连续解,能级已连续到一起,这就是我给你说过的,能级间隔在无理数级别,即两个有理数(集)之间被抽掉了无理数,就是一种分形集、分形解(康托尔集)。我给你说过,我们这个世界是量子化世界,最密集量子化,也是在这种分形集上,抽掉了无理数后的有理数集,大多数,也就是我们要好应用的,是有限集,就像原子的分立能级这样。
实际上,微观世界是非常非常迷人的,就是因为微观世界是“薛定谔的孤立解”集世界;通常我们看到的量子干涉,就是典型的与原子能级是同构,或叫拓扑同伦的;只不过原子约束来自原子核,而量子干涉来自n缝光栅;它们求解薛定谔方程后的孤立解集,在形式上是同构的;量子干涉(原理、规则)将应用在我们生活的方方面面,如未来的量子计算机,我们未来要写的量子神经网络、不测回波的量子雷达(两种),甚至将来的量子发动机原理。
微观量子世界是建立在量子干涉上的,量子拓扑空间,而且是希尔伯特共轭对称空间。目前发现的各种另类粒子,像马约拉纳费米子、斯明格子等都是典型的“量子孤解”,或叫“量子孤波”,就是薛定谔方程上的特殊孤立解。你所说的单缝衍射或双缝干涉后的谱空间,我认为就是波动方程的“孤解化”的表现;把栅后状态(信息)空间量子化的结果。
其实你未来学习通信编码原理,你就会理解,我们这个世界就是一个“信息编码世界”,而且是编码在有限循环群上(我想将其拓展到拓扑上);你学的通信原理是编码在,如八位二进制循环群上,当然也可以16、64、128位二进制循环群上;生命、生物,目前看,是编辑在一个“不定位”的四进制(四个碱基对)群上(应该也是循环群);微观粒子世界由杨振宁编码在62个So群…(这个我还没仔细看,但意思是一样的)。
像凝聚态物质,其状态空间已成为有限态空间,就是我说的薛定谔方程的连续解退化到了孤立解空间上的表现,就是“波函数孤波”;超导、超流、量子霍尔效应…,都是凝聚态物质的特性、孤子特性。
另外,我大约二十年前就提出电磁孤子用在雷达上。电孤子目前没观察到,球形闪电大概属于自然界上的电孤子。目前,其实我早在n年前就知道,怎么做电磁孤子,设计过多普勒谐振腔,那时…;如果你未来想搞雷达,可以先用孤波雷达小试牛刀!这就是量子雷达在经典领域的应用。
如果觉得《霍尔开关工作原理 霍尔接近开关原理》对你有帮助,请点赞、收藏,并留下你的观点哦!