——记华中科技大学教授 常海欣
二维量子材料与磁随机存储MRAM芯片
近年来，我国芯片领域迎来了前所未有的机遇和挑战，集成电路相关技术受到严格限制的同时也带来了转机。磁随机存储芯片(MRAM)作为下一代低功耗高性能存储芯片面临类似的情况，MRAM芯片技术是未来数据存储、人工智能、量子计算、云计算、大数据的关键核心支撑技术之一，全球相关潜在市场约500亿美金，而且随着人工智能对于数据存储与计算的要求提高与需求激增呈现爆发性增长。现阶段该领域被国外巨头占有几乎全部的市场份额，这给国家未来众多相关产业与信息安全带来巨大隐患。利用新材料尤其室温下工作的量子材料比如超室温二维铁磁晶体带来的信息技术产业转型升级的机会，有望在该领域打破国外的技术壁垒，实现产业升级，增强国家信息安全。
控制粒子如电子的自旋量子特性是人类科学的一个重要梦想与目标之一。自旋电子学从最早1988年发现电子自旋的室温巨磁阻效应(GMR，2007年诺贝尔物理奖)发端，是量子科学与材料科学最重要的前沿之一。基于传统三维磁性材料GMR效应的磁存储芯片多层膜技术发展到磁隧穿结(MTJ)技术，其发展遭遇了一定的技术瓶颈。当MTJ的尺寸缩小到30纳米尤其20纳米以下时，传统三维磁体会达到其物理极限而性能急剧下降进而失效，这成为MRAM技术进一步发展的最大科学挑战之一。那么，如何解决这个重大问题呢?2022年，Nature杂志提出将传统三维铁磁材料替换为二维铁磁材料，并制备全二维磁性隧穿结有望突破传统磁性材料隧穿结的极限，还预测将于2030年后实现大尺寸的全二维磁隧穿结。然而，迄今所报道的二维范德华磁性隧穿结工作温度都远远低于室温，研制出可以在室温下工作的全二维磁性隧穿结是二维MRAM芯片实现应用的前提也是一个重大挑战。
超室温本征二维铁磁性的发现及其二维MRAM芯片元器件
为了解决上述重大挑战，制备出具有超室温本征铁磁性的二维范德华晶体是关键。最早发现的二维铁磁晶体如CrI3(华盛顿大学Xiaodong Xu组)与Cr2Ge2Te6(加州大学Xiang Zhang组)等，居里温度约30-45 K(约零下243-零下228 ℃)，都远远低于室温，难以投入实际应用。2021年，华中科技大学常海欣教授团队全球首次制备了Fe3GaTe2二维铁磁范德华晶体并观察到超室温本征二维铁磁性。这种二维量子晶体材料具有最高约380-400 K(107-127 ℃)的居里温度，在室温甚至超室温下仍保持优异的二维铁磁性，并在亚10纳米室温下具有优于商业MRAM芯片用核心电子材料钴铁硼(CoFeB)薄膜200%以上的磁学性能。同时，作为二维范德华量子材料，其优异二维铁磁性可以在原子尺度保持，因此可以极大地提高器件集成度，弥补基于传统三维材料MRAM芯片的短板，有望极大突破其20-30纳米极限节点。二维Fe3GaTe2晶体现已被全球最权威晶体数据库剑桥晶体数据中心(CCDC)作为新物质收录(No. CSD 2341733)，其相关材料与器件技术已获多项专利授权包括中国专利与PCT国际专利，并已申请了美国专利。
基于上述发现，常海欣教授团队及其合作者开发了基于Fe3GaTe2的MRAM芯片核心单元元器件如室温高性能自旋阀、磁遂穿结MTJ与自旋轨道矩(SOT)。相关优化核心单元元器件具有商业MRAM芯片同等水平的隧穿磁阻但只需低约2个数量级的功耗，并可以运用纳安级别极低电流调控。此外，团队还实现了在单一Fe3GaTe2二维量子晶体器件中的多值、非易失存储与超低电流室温调控。另外，在亚10纳米二维Fe3GaTe2材料中发现了包含室温的超宽温区(2-300K)巨二维斯格明子拓扑霍尔效应与室温超低电流调控效应。团队在晶圆级二维范德华薄膜与器件的构建上也取得了较大的进展。
未来前景与潜在影响
本征二维铁磁性被认为是继GMR效应发现以来自旋电子学最重要的突破之一。常海欣教授团队的超室温本征二维铁磁性的研究工作推动了二维范德华MRAM芯片朝实际应用迈出了关键的一步，该超室温二维量子铁磁材料体系突破了传统三维MRAM芯片核心电子材料的瓶颈，经优化后在亚10纳米甚至原子尺度具有巨大技术潜力，未来可能发展出与传统存储芯片与计算芯片全然不同的替代集成电路技术路径来实现高密度、超低功耗的高性能存储芯片与计算芯片。常海欣教授团队相关二维量子材料研究得到了多位诺贝尔物理奖获得者如A. Fert、K. Novoselov以及Nature等的正面评价，被英国皇家物理学会2次在Physics World 作为重大科学突破报道。常海欣教授团队也在与华中科技大学一起推进相关的产业转化。随着美国、韩国、德国、日本等开始快速跟进，全球掀起了二维范德华MRAM存储芯片研究的巨大竞争热潮。大力发展相关二维量子材料与MRAM芯片技术有助于我国发展独立自主的集成电路产业，推动二维范德华自旋电子器件走向应用包括MRAM芯片、新型量子计算器件等。相关超室温二维量子材料在AI存储与计算芯片、类脑计算、拓扑量子计算等方面也具有巨大的潜力，进而可能影响到不同国家间人工智能、量子科学等领域的竞争。(文/陈荣)