近日，廈門大學(xué)物理學(xué)系康俊勇教授團(tuán)隊(duì)吳雅蘋教授、吳志明教授、李煦副教授聯(lián)合南方科技大學(xué)陳曉龍副教授，在材料科學(xué)領(lǐng)域的頂級(jí)期刊《Advanced Materials》發(fā)布題為 “Giant Circular Dichroism in Proximitized WS? Spin-Valley Transistors for Complementary Optoelectronics and Reconfigurable Logics” 的論文。致真精密儀器自主研發(fā)的原子力顯微鏡為研究提供了關(guān)鍵的材料形貌與厚度表征支持，為核心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提供了可靠的材料結(jié)構(gòu)依據(jù)。

主流的CMOS 邏輯電路依賴于極性相反的互補(bǔ)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管以實(shí)現(xiàn)各種邏輯功能。而光電晶體管則面臨一大核心瓶頸：即在光照下始終處于低阻導(dǎo)通狀態(tài)，難以實(shí)現(xiàn)類似互補(bǔ)特性以構(gòu)建光電邏輯門?；诙S過(guò)渡金屬二硫族化合物獨(dú)特的自旋-能谷鎖定特性和光躍遷選擇定則，可以通過(guò)光的圓偏振手性而非亮暗操控光電子的屬性，為光電器件提供了新的自由度。然而，受限于材料自旋選擇性不足與外磁場(chǎng)依賴，實(shí)際器件的圓偏振光電流極化率普遍低于15%，難以滿足應(yīng)用需求。

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，康俊勇教授團(tuán)隊(duì)提出創(chuàng)新解決方案：將 WS?單層與高居里溫度的釔鐵石榴石（YIG）磁性基底結(jié)合，利用磁近鄰效應(yīng)打破 WS?的自旋簡(jiǎn)并，同時(shí)集成 CoFeB/MgO 自旋隧穿電極提升界面自旋過(guò)濾效率。這一設(shè)計(jì)無(wú)需強(qiáng)外磁場(chǎng)即可實(shí)現(xiàn)自旋調(diào)控，在 325 nm 紫外光激發(fā)下，室溫圓偏振光電流極化率達(dá) 38.74%，施加 0.4 T 磁場(chǎng)后進(jìn)一步提升至 41.90%，低溫 17 K 下更是達(dá)到 49.23%，相關(guān)指標(biāo)在已報(bào)道的自旋光電器件中處于國(guó)際領(lǐng)先水平（圖 1）。

圖1自旋-能谷晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖及圓偏振光電流表征結(jié)果

此外，康俊勇教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)通過(guò)切換基底與電極的磁化方向，可實(shí)現(xiàn)光電流圓二色性的符號(hào)反轉(zhuǎn) —— 即器件在左旋圓偏振光（σ?）與右旋圓偏振光（σ?）照射下呈現(xiàn)完全相反的電阻狀態(tài)。這一特性成功填補(bǔ)了互補(bǔ)光電晶體管的技術(shù)空白，即可通過(guò)光的手性實(shí)現(xiàn) “光控開/關(guān)”，例如磁化向上的晶體管在 σ?光下為低阻態(tài)、σ?光下為高阻態(tài)，磁化向下的晶體管則呈現(xiàn)相反響應(yīng)。

基于此，康俊勇教授團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步構(gòu)建了可重構(gòu)光電邏輯門。通過(guò)組合不同磁化狀態(tài)的互補(bǔ)自旋-能 谷晶體管，成功實(shí)現(xiàn) NOT、NAND 及 NOR 邏輯運(yùn)算，且邏輯門可通過(guò)局部磁場(chǎng)調(diào)控晶體管磁化方向，靈活重構(gòu)為 OR、AND 等其他功能。器件還具備超低功耗優(yōu)勢(shì)，邏輯狀態(tài)切換功耗低至 9-115 pW，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)硅基 CMOS 器件（約 17.2 μW），同時(shí)與 CMOS 工藝完全兼容，輸出電壓（0.8-4.8 V）匹配標(biāo)準(zhǔn) CMOS 電平，為光電子 - 微電子集成奠定基礎(chǔ)。

圖2 基于自旋-能谷晶體管的可重構(gòu)光電邏輯門示意圖

該研究成果不僅為二維材料自旋-能谷調(diào)控提供了新范式，更在偏振光探測(cè)、片上光耦合器及全光計(jì)算等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。例如，器件可作為緊湊型圓偏振光探測(cè)器，無(wú)需外部光學(xué)元件即可直接識(shí)別光的圓偏振狀態(tài)；其 “光手性-電阻狀態(tài)” 的精準(zhǔn)對(duì)應(yīng)關(guān)系，還可用于構(gòu)建三態(tài)光耦合器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離與邏輯控制的雙重功能。

在康俊勇教授團(tuán)隊(duì)關(guān)于WS?自旋-能谷晶體管的研究中，致真精密儀器的原子力顯微鏡發(fā)揮了重要支撐作用。它精準(zhǔn)確認(rèn)了CVD生長(zhǎng)的WS?為厚度0.72 nm的單層結(jié)構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)強(qiáng)自旋-軌道耦合與能谷選擇性光躍遷的關(guān)鍵基礎(chǔ)；同時(shí)驗(yàn)證了材料表面均勻、無(wú)缺陷，保障了器件性能的可靠性。此外，其測(cè)得的WS?厚度均一性為“溝道寬度影響光電流極化率”的結(jié)論排除了厚度變量干擾，增強(qiáng)了研究的可信度，為實(shí)現(xiàn)高達(dá)41.90%的室溫光電流極化率等核心成果提供了關(guān)鍵保障。

原子力顯微鏡

致真精密儀器原子力顯微鏡可對(duì)材料、電子器件、生物樣本等進(jìn)行三維掃描成像，實(shí)現(xiàn)亞埃米級(jí)形貌表征。具備接觸、輕敲、非接觸等多種工作模式，為用戶提供了更為靈活和精準(zhǔn)的操作選擇。此外，它還集成了磁力顯微鏡、靜電力顯微鏡、掃描開爾文顯微鏡、壓電力顯微鏡等多種功能模式，穩(wěn)定性強(qiáng),可拓展性良好。此外可根據(jù)用戶需求靈活定制功能模塊,為特定研究領(lǐng)域提供針對(duì)性解決方案，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用的高效檢測(cè)平臺(tái)。

致真精密儀器助力康俊勇教授團(tuán)隊(duì)在《Advanced Materials》發(fā)表重要成果，體現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)高端科研儀器在前沿材料與器件研究中的關(guān)鍵支撐能力。致真精密儀器將持續(xù)深耕技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)品升級(jí)，為科研工作者提供更精準(zhǔn)、高效的技術(shù)解決方案，助力更多突破性成果的誕生。

致真精密儀器

致真精密儀器致力于實(shí)現(xiàn)高端科學(xué)儀器和集成電路測(cè)試設(shè)備的自主可控和國(guó)產(chǎn)替代。

致真精密儀器通過(guò)工程化與產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)，已成功研發(fā)出一系列應(yīng)用于磁學(xué)、自旋電子學(xué)、納米形貌表征等領(lǐng)域的前沿科研設(shè)備，包括“原子力顯微鏡、高精度VSM、磁光克爾顯微鏡等磁學(xué)測(cè)量設(shè)備、各類磁場(chǎng)探針臺(tái)、低溫強(qiáng)磁場(chǎng)光學(xué)測(cè)量平臺(tái)、磁性芯片測(cè)試機(jī)等產(chǎn)線級(jí)設(shè)備”等，如有需要，我們的產(chǎn)品專家可以提供免費(fèi)的項(xiàng)目申報(bào)輔助、產(chǎn)品調(diào)研與報(bào)價(jià)、采購(gòu)論證工作，期待與您更深入的交流與合作！