磁电子材料、器件与系统学科交叉创新团队

基于晶体管技术的传统集成电路促成了整个信息产业的繁荣，但当晶体管尺寸缩小至纳米尺度时，量子隧穿效应引起的漏电流会造成高功耗、低能量利用率及低可靠性等后果，极大限制集成电路性能的提升，也难以满足大数据、云计算、人工智能等新型应用对集成电路提出的高速、高密度、高可靠性、低功耗等高性能需求。自旋电子学是近年来发展起来的一个重要的新兴交叉学科，较传统半导体技术具有非易失性、低功耗、抗辐照等显著优势，被广泛认为是“后CMOS时代”实现“三高一低”需求的重要技术。基于自旋电子学的磁电子器件与系统，在大数据、类脑计算等新兴领域具有广阔的市场价值。而相关系统的实现不仅需要器件应用和电路设计层面的学科知识，而且也需要材料设计和加工等科学技术，这就要求材料科学和电子信息学科协同合作、相互补充、从多视角、采取交叉思维的方式，进行跨学科研究。磁电子材料、器件与系统交叉平台的建设和发展，有助于构建特色优势明显、相互支撑、协同发展的学科体系，也有助于推进学科交叉融合、培育新的学科增长点。

交叉团队主要研究方向：

1.       新材料研究：面向类脑计算需求开展基于氧化物阻变器件电控磁效应研究，面向未来的高密度、低功耗和快响应磁存储/磁传感技术开展磁相变材料、硒化铋、碲化铋等二维拓扑绝缘体材料研究；面向集成电源芯片的需求开展铁基、钴基新型高效高频软磁薄膜材料研究。

2.       新功能器件研究：在新材料的基础上、针对系统需求，构建低功耗新型自旋存储/传感器件、新型磁性隧道结等。

3.        磁电子器件应用型系统研究：在材料和器件研究的基础上，开展高速高密度低功耗的自旋存储芯片、自旋类脑计算、片上集成电源芯片等研究。

交叉团队的已有研究基础：

1.       材料层面：在阻变材料中实现了电场对高低阻态的调控；在磁相变薄膜体系中观察到了拓扑霍尔效应；已实现矫顽力低于8A/m，电阻率高于100mW·cm ，磁饱和接近0.8T的新型钴基纳米晶软磁材料，且已转让给英特尔公司。

2.       器件层面：创建了全球首个用于集成电源芯片的片上集成磁元件模型库和优化仿真工具；已获得具有垂直各向异性的电场调控磁场传感器件的原型器件；已建立了用于自旋类脑计算的磁隧道结、自旋扭矩振荡器、霍尔条等器件的电学模型，正在加工霍尔条器件。

3.       系统层面：已开展基于自旋电子学器件的神经网络硬件平台搭建工作，并通过数字电路方式实现了支持脉冲时间依赖可塑性学习的脉冲神经网络，该网络已可完成非线性逻辑运算。

交叉团队技术的应用前景：

在信息技术高速发展的今天，对信息的获取、存储和处理方面都提出了更为严苛的要求。高精度磁场传感器可探测异常磁场、地磁场、脑磁、心磁及地下矿产分布，可构建工业、制造业常用的电流传感器、磁编码器等，应用范围覆盖国防、医疗、汽车电子、消费电子、工业控制和电力电子等诸多领域；高密度、低功耗和快响应磁存储技术可满足数据爆发式增长对存储器的要求；而自旋类脑计算系统发展有助于推动高集成度、高速硬件AI芯片的发展进程，使得现有设备网络拥有高效的人工智能处理能力，实现“万物智能”。

所有器件和系统的正常稳定运行都需要能源，片上集成电源具有电压精准、动态响应速度快、效率高、集成度高等优势，是所有电子产品的心脏，在通信、计算以及工业应用等领域具有广阔的应用前景，是未来推进电源革新、满足未来芯片供电需求的必备技术。