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《苏州纳米所加工平台在自旋纳米微波放大器研制方面取得进展》

  • 来源专题：生物安全知识资源中心—领域情报网
  • 编译者： hujm
  • 发布时间：2023-05-16

  • 　　自旋电子学是微电子技术与磁性物理学结合形成的前沿交叉学科，旨在利用电子的自旋属性作为信息载体，同时兼具数据的非易失性存储、运算和传感功能，有望为后摩尔时代的新型智能芯片架构提供潜在解决方案。其中，由金属磁性层/绝缘层/金属磁性层的核心结构组成的磁性隧道结（MTJ），作为自旋电子学的核心器件，具有尺寸小、磁阻率高、功耗低、非易失以及本征的高频特性，在磁性传感、磁性存储、微波通讯、无线供能以及类脑计算等领域具有重要的应用价值，已经得到科研和产业界的广泛关注。

    　　近年来，中国科学院苏州纳米所加工平台围绕磁性隧道结的多功能器件应用开展了一系列的创新性研究。例如：利用薄膜界面磁各向异性构建纳米磁性隧道结材料与器件，实现了无需外加磁场的低功耗、高灵敏的纳米微波探测器（Appl. Phys. Lett. 113 ,102401 (2018)；Appl. Phys. Lett. 117, 072409 (2020)；Appl. Phys. Lett. 122, 092405 (2023)）；开发了带宽大于3 GHz的宽频微波整流器件，并用于微波能量收集功能，演示了在无线供能方面的应用前景（Phys. Rev. Appl. 11 , 014022 (2019)；ACS Appl. Mater. Inter. 11 (32), 29382？29387 (2019)）。

    　　基于磁性隧道结的多态存储、随机翻转以及微波动力学等特性，研究团队探索了基于磁性隧道结在人工智能方面的应用。利用微波整流输出特性模拟神经元稀疏激活特性（Appl. Phys. Lett. 114, 192402 (2019)）；利用磁性隧道结的随机翻转特性模拟了神经网络中Sigmoid人工神经元，神经网络识别率高达95%（Phys. Rev. Appl. 11, 034015 (2019)）；构筑了低功耗人工突触器件，实现了突触的尖峰放电时间依赖可塑性（Appl. Phys. Lett. 121, 232406 (2022)）；利用自旋二极管模拟神经元群体编码，并用于人工神经网络中实现可重构的人工神经元（Appl. Phys. Lett. 122, 122402 (2023)）等。

    　　除了在微波探测和类脑功能的研究之外，磁性隧道结丰富的磁动力学特性也为微波放大功能的开发提供了可能。事实上，由半导体材料构建的传统微波放大器，在微波通讯等领域已经得到了广泛应用。随着物联网和5G通信技术的发展，对放大器的尺寸和功耗也提出了更高的要求。前期研究结果表明，利用电子自旋属性开发的纳米尺度磁性电子器件有望发展新一代小尺寸和高性能微波器件。近期，中国科学院苏州纳米所加工平台曾中明研究员等设计和制备出具有正交磁化的纳米磁性隧道结器件，在1-2.5 GHz频率范围内观测到了增益|S11|>2的微波放大，理论研究表明微波放大的物理机制源于注入锁相，该工作为设计新型纳米微波放大器提供了潜在方案。相关研究成果以Nonlinear amplification of microwave signals in spin-torque oscillators为题，发表在《自然·通讯》（Nature Communications）。中国科学院苏州纳米所硕士研究生朱可强、意大利巴里理工大学Mario Carpentieri博士、中国科学院苏州纳米所博士生张黎可为论文共同第一作者，中国科学院苏州纳米所方彬项目研究员、意大利墨西拿大学Giovanni Finocchio教授、中国科学院苏州纳米所曾中明研究员为论文通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、王宽诚教育基金、中国科学院率先行动引才计划等项目支持。

     

  • 原文来源：http://www.sinano.cas.cn/news/kyjz/202305/t20230515_6754530.html;https://www.nature.com/articles/s41467-023-37916-9
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相关报告

  • 《苏州纳米所加工平台在氮化镓横向功率器件研制方面取得系列进展》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心—领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2023-01-18
    • 　氮化镓（GaN）具有大的禁带宽度、高击穿场强和高电子饱和漂移速率等优良材料特性，而基于AlGaN/GaN异质结制备的器件更是满足现代电力电子系统对高功率密度、高频、高效性能的持续需求，在手机快充、新能源汽车、数据中心和智能电网等高频高效高功率领域表现出巨大的应用前景。近日，中国科学院苏州纳米所加工平台在GaN横向功率器件研究中取得系列进展，研究成果分别发表在国际微电子器件权威期刊IEEE Transactions on Electron Devices和IEEE Electron Device Letters上。 　　增强型p-GaN条形阵列栅GaN HEMT器件 　　为了制备出高击穿电压&低导通电阻的增强型GaN HEMT器件，团队在前期工作基础上（IEEE Electron Device Lett., 2022, 43(5): 693-696; IEEE Sens. J., 2021, 21(20): 22459-22463; IEEE Trans. Electron Devices, 2021, 68(10): 5041-5047; Appl. Phys. Lett., 2018, 113(15): 152104; IEEE Trans. Electron Devices, 2018, 65(4): 1314-1320; IEEE Electron Device Lett., 2017, 38(11): 1567-1570; Appl. Phys. Lett., 2016, 109(15): 152106），使用具有自主知识产权的“氢等离子处理”技术并设计制备了一种p-GaN条形阵列的栅极结构（PSAG），利用该结构对AlGaN/GaN沟道处的二维电子气（2DEG）浓度分布进行调控，制备了高性能免刻蚀增强型GaN HEMT器件。 　　研究中的仿真结果显示，通过调整p-GaN条形阵列的内部尺寸，一方面可以实现阈值电压从？0.14 V到+1.03V的调控，另一方面可以实现表面电场的优化分布。制备获得的PSAG-HEMT表现出比传统p-GaN栅器件（+1.36 V/3.72 mΩ·cm2/1.18 kV）略低的+0.8 V的阈值电压，更低的导通电阻2.73 mΩ·cm2和更高的击穿电压1.45 kV。研究揭示了PSAG-HEMT栅极下方特殊能带分布导致的增强电导调制效应是导通电阻降低的主要原因。相关工作以Improvement of Breakdown Voltage and on-Resistance in Normally-off AlGaN/GaN HEMTs Using Etching-Free p-GaN Stripe Array Gate为题发表在IEEE Trans. Electron Devices [1]，论文的第一作者是中国科学院苏州纳米所博士生魏星，通讯作者为张宝顺研究员、蔡勇研究员。 　　高耐压免刻蚀p-GaN栅混合阳极二极管 　　混合阳极二极管（HAD）是另一种典型的GaN横向器件结构，因制备工艺与HEMT器件兼容，在单片集成领域有着广泛的应用前景。在p-GaN/AlGaN/GaN材料平台上制备HAD器件已有一些报道，但在反向漏电流和电流崩塌等方面还存在挑战。团队使用低损伤免刻蚀的“氢等离子处理”技术制备出可以在300℃下稳定工作的HPT-HAD器件，器件的关态漏电流低至10 pA/mm，理想因子低至1.04，电流崩塌特性改善明显。器件在20 μm的阴阳极间距下，实现了2.01 kV的高击穿电压，2.09 mΩ·cm2的低导通电阻，计算获得的Baliga优值达到了1.93 GW/cm2。相关工作以2.0 kV/2.1 mΩ·cm2 Lateral p-GaN/AlGaN/GaN Hybrid Anode Diodes With Hydrogen Plasma Treatment为题发表在IEEE Electron Device Lett. [2]，论文的第一作者是中国科学院苏州纳米所博士生魏星，通讯作者为张晓东项目研究员。 　低开启电压高功率品质因数p-GaN条形阵列栅混合阳极二极管 　　虽然免刻蚀p-GaN栅混合阳极二极管表现出优异的特性，但是受到p-GaN对沟道电子的强耗尽作用，其开启电压较高，同时其存在GaN横向器件不可避免的表面电场集中现象。结合p-GaN条形阵列栅对沟道电子和表面电场的调控作用，团队进一步设计并制备出了p-GaN条形阵列栅混合阳极二极管（PSAG-HAD），实现了0.8 V的低开启电压，2.69 kV的高击穿电压和2.11mΩ·cm2的低导通电阻，计算获得的器件Baliga优值达到了3.43 GW/cm2。通过改善后的“氢等离子处理”技术，器件在-1kV的高压下也仅表现出1.87 nA/mm的关态漏电流，开关比达到了1011。相关工作以2.69 kV/2.11 mΩ·cm2 and Low Leakage p-GaN Stripe Array Gated Hybrid Anode Diodes with Low Turn-on Voltage为题发表在IEEE Electron Device Lett. [3]。论文共同第一作者是中国科学院苏州纳米所博士生魏星、纳米加工平台沈文超，通讯作者为张晓东项目研究员。  
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  • 《苏州纳米所在仿生人工肌肉研究方面取得新进展》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心—领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2023-06-26
    • 　　仿生肌肉纤维在外界刺激下能够产生类生物肌肉的收缩运动，作为一种新型的驱动器，有望推动仿生软体机器人、智能变翼飞行器、可穿戴及可植入医疗技术等方向的创新发展。螺旋仿生肌肉纤维凭借其独特的驱动放大结构可以输出优异的驱动性能。但在收缩前需要对螺旋仿生肌肉纤维施加张力将纤维相邻的螺环分开为其收缩提供空间，而且其回复过程也需要相同的应力将纤维拉回原长，这导致在一个驱动循环过程中螺旋仿生肌肉纤维的净做功为零。 　　针对上述问题，中国科学院苏州纳米所李清文、邸江涛研究员等报道了一种无预应力、可自回复并能高效循环做功的仿生肌肉纤维。该仿生肌肉纤维以碳纳米管（CNT）纤维的弹性螺旋结构驱动回复，并利用液晶弹性体（LCE）的可逆相变产生驱动形变。所获得的肌肉纤维表现出56.9%的可逆收缩量，1522%/s的收缩速率，7.03 kW kg？1的功率密度和32,000次的稳定循环。 　通过连续的浸渍涂覆固化技术实现了复合纤维的连续制备，随后进行并股加捻得到螺旋纤维。其中，CNT纤维表面的沟道初步诱导了液晶分子的排列，加捻进一步诱导液晶分子重排变为相对有序的状态，复合纤维在温度刺激下产生形变。（图1） 　　经过加捻的复合纤维表面的LCE从无序变为有序，偏光显微镜和WAXS的结果都证明了这一点，加捻后LCE的取向变好，取向因子增加，表明螺旋应力有效诱导了液晶分子的排列（图2）。 　　目前文献中报道的仿生肌肉纤维在收缩和恢复过程中都需要施加恒应力（图3a，循环Ⅰ），整个过程纤维的净做功为零。本工作开发的纤维在通电时收缩提起负载，断电后无需负载回复到原长（图3a，循环Ⅱ），纤维的净做功大于零。该有效做功特性对于仿生肌肉纤维的应用具有重要意义。对复合纤维加捻使得LCE在CNT沟槽中沿着CNT取向形成液晶态。在电热的作用下液晶高分子链的刚性棒向无序相转变，导致相邻碳纳米管受到应力而解捻，进而产生收缩驱动。在电热驱动训练过程中复合纤维中的CNT纤维骨架被加工成具有螺环张开且扭矩平衡的结构，纤维受热收缩会对CNT纤维骨架压缩进而储存了弹性势能。断电后弹性势能的释放使得复合纤维恢复到原来大螺距、扭矩平衡的结构。这说明本工作中报道的仿生肌肉纤维的回复不需要外力辅助。因此该仿生肌肉纤维实现了有效循环做功。复合仿生肌肉纤维的驱动量高达56.9%，最大做功能力为2.11 J/g，与文献中报道的LCE纤维驱动器相比，该纤维做功能力处于最大值。在自恢复模式下，纤维循环32,000圈后驱动性能依然保持良好，具有优异的循环稳定性。（图3） 　基于LCE/CNT螺旋纤维优异的驱动性能及自恢复特性。研究团队将这种高性能的仿生肌肉纤维作为驱动单元与机械结构结合起来，演示了其在类内窥镜上的作用，可以实现内窥镜镜头的三向弯曲。进一步将纤维集束与仿生手臂结合，模仿人的手臂实现了拉车的动作。此外，基于纤维的快速响应特性，利用其瞬间的爆发力，纤维在机械爬虫及踢足球场景下都具有一定的应用潜力。（图4） 　　相关工作以Pretension-Free and Self-Recoverable Coiled Artificial Muscle Fibers with Powerful Cyclic Work Capability为题发表在ACS Nano上。论文第一作者为中国科学院苏州纳米所硕士生崔波，通讯作者为邸江涛研究员和李清文研究员。该工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持。
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