Intel创始人之一的戈登·摩尔在1965年做出预测：集成电路上可容纳的晶体管数量每18～24个月就会翻一番，这被称为摩尔定律。但是，近年来由于结构、材料和量子效应等多方面因素的制约，集成电路发展正在趋向瓶颈。摩尔定律正在走向终结，人类社会也将进入“后摩尔时代”，如何通过新材料、新结构、新原理器件的研究与开发，进一步推动集成电路的发展，是相关科研工作者不断探索的目标。
中国科学院物理研究所副研究员邓正就是其中一位，他研究的磁性半导体将长期以来独立发展的半导体与磁性材料融合，是集开发运算、存储和通信为一体的新一代信息器件的载体，被认为是破解后摩尔时代难题的最佳途径之一。
后摩尔时代的瓶颈
邓正毕业于哈尔滨工业大学材料物理专业。随后他在中国科学院物理研究所攻读博士学位，师从材料科学研究专家靳常青教授，开展超导、磁性半导体等磁电功能材料领域的研究。人们耳熟能详的半导体构成了现代信息技术的基础，集成电路、芯片等都是以半导体为基础呈现迅猛发展的态势，但是以半导体为基础的信息技术有一个缺陷等待着科学家们解决。“电子除了电荷属性外，还有自旋属性。但是现在的技术对信息处理采用的是电荷属性，其自旋属性在集成电路里并没有得到有效的运用。”邓正解释道。为了解决这个问题，前人已经对半导体提出新的设想：是否可以在普通的半导体中，掺杂少量的磁性离子，使得半导体不仅可以运用电子的电荷属性进行信息处理，还能利用磁性离子的自旋来进行信息的存储。这种掺杂了磁性离子的半导体，在学界被称为“磁性半导体”。“人们寄希望于磁性半导体可以将信息存储和信息处理结合在一起，提高效率，形成一种新的技术。”邓正说，现在已经进入了后摩尔时代，磁性半导体的出现可以对信息存储、处理、传导的方式产生革新，为破解后摩尔时代难题提供一种新思路。博士期间，由于在稀磁半导体材料方面的突出成绩，邓正荣获“北京市优秀毕业生”称号和中国科学院院长奖优秀奖。
突破磁性半导体的困境
传统的磁性半导体中，III-V族的(Ga,Mn)As是标杆式的材料。邓正及团队在研究过程中发现了(Ga,Mn)As居里温度很难往上升高的原因：首先，Ga是+3价，Mn是+2价，Mn的不等价掺杂使其含量难以有效提高，这既使得材料性能对生长工艺极为敏感，又阻碍了材料居里温度的提升。其次，Mn的不等价掺杂同时引入了自旋和电荷两种属性，电荷和自旋掺杂是捆绑在一起的，这种捆绑使得材料的载流子浓度和类型难以单独调控，导致理论模型构建困难，难以得到一个普适性的物理图像。这些难题成为制约(Ga,Mn)As等III-V体系的磁性半导体进一步走向实用化的主要瓶颈。
邓正
为了破解上述困境，靳常青教授带领邓正和所在研究团队设计并发现了电荷与自旋掺杂分离的新型稀磁半导体Li(Zn,Mn)As，其中Zn是+2价的，Mn也是+2价的，通过等价磁性元素引入自旋，再通过非磁性元素Li掺杂引入电荷，从而实现了电荷与自旋掺杂机制的分离，使得材料的载流子浓度和类型不再难以单独调控，并且所有材料均能以稳定的体材料形式制备，从而克服了(Ga,Mn)As的主要瓶颈。Li(Zn,Mn)As这一系列材料被(Ga,Mn)As的开拓者T.Ditel和H.Ohno教授列为稀磁半导体的新体系，即Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族稀磁半导体。它一方面可以为利用半导体器件中电子的自旋自由度提供新的机会，有望带来信息技术的重大变革；另一方面，它突破了传统磁性半导体存在的瓶颈。这个发现是2016年度邓正所在的靳常青教授研究团队荣获国家自然科学奖二等奖项目——“磁电演生新材料及高压调控的量子序”的主要成果之一。Li(Zn,Mn)As与另一主要成果“111”型铁基超导体也有着紧密的联系。靳常青教授团队率先发现并命名了以LiFeAs为代表的“111”型铁基超导体，并获得国内外同行的广泛关注。而Li(Zn,Mn)As是LiFeAs在材料组分上的拓展和延伸，邓正在“111”型铁基超导与新型稀磁半导体两个研究领域均做出了重要贡献。
其后，邓正所在团队在自旋、电荷分别掺杂的新机制基础上，发现了具有层状结构的新型稀磁半导体材料(Ba,K)(Zn,Mn)2As2（简称BZA）。“理论上，压力可以增加稀磁半导体的带宽并减小能隙，从而增加载流子浓度及巡游性，一般而言这将增加其居里温度。”团队从材料设计角度引入化学内压，即用Ba取代Li，得到了BZA，其居里温度达230K，超过了(Ga,Mn)As材料200k可控居里温度的纪录。同时BZA拥有与之晶格匹配的多种功能材料，比如BZA与“122”型铁基超导体(Ba,K)Fe2As2、反铁磁体BaMn2As2同构且晶格失配度小于5%，它们之间可以构成安德烈夫反射结、磁隧道结、交换偏置结等多种多组分异质结，这将有可能引发新物理现象，实现新功能。团队关于BZA的主要研究成果“高居里温度稀磁半导体材料的发现及基本性能研究”荣获2018年度中国材料研究学会科学技术奖一等奖。基于这些优异特性，电气和电子工程师协会（IEEE）发布的“面向自旋电子学应用的演生材料路线图”推荐BZA为该领域重点研究的材料，指出“未来15年内磁性半导体的发展应该是基于BZA的室温铁磁性突破及同结构多组分异质结器件研制”。
“我们希望新材料能往前走得更远，毕竟从做出新材料到实际运用还有相当距离，对于电荷与自旋分离的新型稀磁半导体材料而言，面临着两项重要的任务：一是进一步提高可控居里温度，室温以上的铁磁性是实用化的必要条件之一；另一个是把异质结器件的研制和应用往前推进，这可以为实际应用做好技术铺垫。”邓正如是说。
朝着未来迈进
压力与温度、化学组分并列为决定物质状态的3个基本参量。材料在足够高的压力下可以呈现丰富的功能演化，对稀磁半导体而言，高压可能是增强其铁磁性的有效途径之一。邓正所在的研究团队，长期研究高压为主的极端条件，对材料的物性调控，在多种超导、拓扑及磁性材料上获得了优异的性能。如前文所述，提升现有稀磁半导体的居里温度是领域的核心问题之一，邓正和所在团队已经利用高压对稀磁半导体开展了研究，并初见成效。他们观察到压力对居里温度的高效调控，并发现保持晶体结构中核心基元的理想构型是提升居里温度的重要前提。
除了自己的不懈坚持，恩师的帮助也是邓正十余年科研的关键词。靳常青教授有着三十余年从事高压极端条件材料科学研究的经验，他实现了高压极端条件材料制备和表征技术的突破，在功能材料设计研制领域有着系统性的创新贡献，他的指导让邓正受益匪浅。靳常青教授一直引导着邓正向磁性半导体领域深入探索，他严格的要求、严谨的科研态度和无微不至的关怀照顾，也让邓正感动不已。邓正说，靳常青教授让他感觉到一个科研工作者就应该是这样的，导师的科研精神体现在日常的每一件小事上。靳常青教授积极引荐他和稀磁领域的知名学者交流学习，比如和我国最早开展稀磁半导体材料研究的学者之一的中国科学院半导体所的赵建华研究员等同行进行合作讨论，丰富了他对稀磁半导体材料的认识。
2020年，邓正入选中国科学研究院青年促进会。在青促会的支持下，成员可以拥有更大的自由探索空间，这对基础研究领域的科研人员有很大帮助。这一年，邓正入选北京市科技新星计划，研究主题是“极端条件下的新型磁电耦合材料”。在这两个人才项目的支持下，他将踏上新的征程，在新型稀磁半导体Li(Zn,Mn)As和BZA的研究工作基础上，进一步提高材料居里温度，并发展基于这些材料的同结构异质结器件，为材料的实际应用做好技术储备。
他说，寻找新材料是材料科学探索的永恒主题，稀磁半导体是突破摩尔定律瓶颈的理想材料之一，是获得更高居里温度和优异磁、电性能的有效途径之一，其研究意义不言而喻。迄今为止国内外对新型稀磁半导体的研究仍大多集中在探索多晶形态新材料的阶段，对材料的物性和机制的研究刚刚起步，得到的有限结果尚不足以形成完备的理论体系。“我们希望通过开发新的材料，提高新型磁性半导体的居里温度，为本领域注入新的活力，开辟一个新的方向。也许就在不远的将来，我们能研制出包含低功耗、超高速的搜索引擎，云计算、大容量的网络存储和数据存储等信息处理技术的异质结器件。”
文章来源：国际沙棘研究与开发 网址: http://gjsjyjykf.400nongye.com/lunwen/itemid-52686.shtml
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