邓正:做后摩尔时代的探索者
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。
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。
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。
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。
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。
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。”
邓正:做后摩尔时代的探索者
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...
吴汉明院士:后摩尔时代中国 IC 的挑战和机遇
后摩尔时代的挑战主要在于培养适应交叉学科的芯片制造人才,而非过分追求原创科学,核心技术提升需依靠成套工艺的积累和团队协作。吴汉明院士强调了四个发展方向:硅-冯范式(包括传统 MOSFET 和 CMOS 等技术)、类硅模式(非 CMOS 技术如NC FET和TFET等)、类脑模式(3D 封装和存算一体技术)以及新兴范式...
后摩尔时代是指什么
后摩尔时代是指中世纪西班牙人和葡萄牙人对北非穆斯林的贬称。自19世纪末和20世纪初法国入侵并统治西部非洲之后,后摩尔时代专指生活在撒哈拉沙漠西部地区的居民集团。在后摩尔时代,伊斯兰教之所以能够得到迅速扩张,部分原因是那些皈依这种新宗教的信徒可以不用缴纳赋税。而信仰伊斯兰教的撒拉逊人之所以对犹太教...
后摩尔时代的Chiplet D2D解决方案
后摩尔时代,Chiplet架构正引领半导体行业变革。本文详细阐述了Chiplet D2D(Die to Die)解决方案,重点关注三个方面:接口IP设计、封装技术及测试方法。预计到2031年,Chiplet市场将达471.9亿美元,D2D接口IP市场增速迅猛,为异构集成和算力堆叠提供了关键连接技术。Chiplet的应用涵盖大芯片的分割与整合,通过...
后摩尔时代简述
在后摩尔时代的初期,撒拉逊人的扩张如同阿拉伯半岛上的一股强大力量,他们的征服行动几乎覆盖了四面八方。从西班牙开始,他们的帝国向东延伸至北非,横跨埃及,中东和小亚细亚,直至深入中亚,甚至触及印度和中国边境,形成了一个空前广阔的帝国版图。精神核心位于阿拉伯半岛的麦加城,伊斯兰教在公元七世纪经历了...
硅光计算芯片,后摩尔时代人工智能算力基座
硅光计算芯片:后摩尔时代人工智能算力基石 随着人工智能技术的飞速发展,特别是大型模型如紫东太初的崛起,电子计算平台面临着前所未有的挑战。光计算,尤其是硅光计算芯片,因其独特的光子器件优势,正逐渐成为解决这一时代难题的关键。在传统的GPU主导的AI计算领域,尽管寒武纪等国产ASIC芯片在特定场景下...
专题| 后摩尔时代,SignOff 挑战及解决方案
在散热问题上,Voltus与Celsius的集成提供精确的热力仿真,确保芯片在高温环境下的性能稳定。科技的每一步革新都伴随着挑战,但C 记通过持续创新和整合,积极应对后摩尔时代的SignOff难题,助力行业进步。正如人类历史中无数次的突破,只要我们勇往直前,技术的革新必将带来前所未有的突破。
后摩尔时代基本情况
公元80年,它被罗马人纳入版图。随后的八世纪,塞哥维亚成为了摩尔人王国的一部分,直到1079年归属卡斯蒂利亚王国。十六世纪末,城市因瘟疫而一度衰落,但随着十九世纪铁路建设的兴起,塞哥维亚的经济重新繁荣起来。周边地区农业发达,工业包括橡胶、面粉、化学、纺织和水泥等行业,同时,塞哥维亚丰富的历史遗迹使...
后摩尔时代 , 从有源相控阵天线走向天线阵列微系统
后摩尔时代,天线技术的革新 在高分辨率对地微波成像雷达的需求推动下,有源相控阵天线正逐步向天线阵列微系统转型。这种转变旨在解决传统天线在性能与工程挑战中的局限,如大孔径与轻量化、低剖面的矛盾。阵列微系统通过集成关键技术和创新设计,如耦合模型、微电子技术、光电子集成等,实现了高效、低耗和...
深入浅出的聊聊摩尔定律、后摩尔时代以及Chiplet概念(万字长文_百度知 ...
总结与展望 摩尔定律的极限呼唤着新的技术突破,后摩尔时代不再是单纯的晶体管数量提升,而是转向芯片设计的创新,注重性能、功耗和成本的优化。Chiplet技术作为这一转变的催化剂,正在重塑半导体行业的未来。随着技术的不断发展,我们可以期待在性能提升和多功能集成的同时,实现更高的系统效率和经济效益。
佘侧瑞安: 任何倏忽的灵感事实上不能代替长期的功夫. ——罗 丹 勤劳征服一切. ——弗吉尔 常用的钥匙最光亮. ——英国谚语 没有任何动物比蚂蚁更勤奋,然而它却最沉默寡言. ——富兰克林 你不能奢望同时是伟大的而又是舒适的. ——巴 里 天才...
左云县18582709494: 模仿创新有哪些特性呢? ?
佘侧瑞安: 模仿创新具有以下几个方面的特性:1.主动运用性:这主要体现在两个方面:技术方面和市场方面.在技术方面,创新不做 新技术的开拓探索者和率先使用者,而是要做...
左云县18582709494: 阅读下列材料: 我所完成的工作,是通过长期的考虑、忍耐和勤奋得来的.——达尔文 请回答: ①达尔文所写的科学著作是什么?提出了什么观点? ②从材... - ?
佘侧瑞安:[答案] ①《物种起源》.提出了“物竞天择,适者生存”的进化论观点.②启示:学习达尔文勤奋努力和为科学献身的精神,勤奋学习,为将来的工作打下扎实的知识基础.
左云县18582709494: 英雄联盟手游希瓦娜秘旅探索者皮肤如何免费获得 ?
佘侧瑞安: 英雄联盟手游希瓦娜秘旅探索者皮肤如何免费获得1.英雄联盟手游希瓦娜秘旅探索者皮肤是通过这次的赛季宝典奖励获得,玩家们在赛季宝典到达50级之后就能够获得希瓦娜秘旅探索者皮肤了2.玩家们可以通过每天完成宝典任务来获取宝典经验提升宝典的等级,也可以通过充值来获得经验!
左云县18582709494: 满足你的创造欲望!《星球探险家》创建系统解析 ?
佘侧瑞安: 这款叫星球探险家的沙盒游戏,在steam上也算是老游戏了,但可能包括我在内的很多玩家都是在玩了,很久之后才知道我靠,这游戏居然是中国人做的.而制作这款游戏...
左云县18582709494: IE浏览器问题,internet explorer - --安全警告 无法验证发行者.你确定要运行此软件吗? - ?
佘侧瑞安: 许多未通过微软认证的国内软件都会有这个警告,如果你能确定它不带病毒,就大胆点确定运行.
左云县18582709494: ...他那么认真刻苦的学习精神,值得我们每个同学效尤.2.通过学习雷锋的感人事迹,使我明白了许多做人的道理.根据不同身份,写关于“书”的比喻句.1.探索... - ?
佘侧瑞安:[答案] 1.病因:词语运用不当.褒义贬用 效尤:仿效坏的行为. 应改为“效仿”或“学习” 2.病因:句式杂糅 淹没主语. 去掉 “通过”或“使”. 1.探索者说:书是(指路的灯塔 ) 2.奋斗者说:书是(前进的阶梯 ) 3.求知者说:书是(宝贵的财富 ) 4.教育者...
左云县18582709494: 作文 如何看待美丽 要三百字的 谢谢 - ?
佘侧瑞安: 人们大都追求飞扬的人生,其实,平凡的人生也美丽.我们为了各自不同的理想,努力奋斗,顽强拼搏.在茫茫的人海中把一身的疲惫抖落在人生坎坷路途上.有时我们迷茫,困惑,总是希...
左云县18582709494: 以自学成才的话题为作文 - ?
佘侧瑞安:[答案] 学习贵在创新 什么是创新?创新就是在学习和利用书本知识以及前人教训的基础上发现新问题(这里的“利用”一词,与... 他的创新成果又在哪里?) 培根曾说过:“只见汪洋就以为没有大陆的人,不过是拙劣的探索者.”的确,许多人的失败就...
左云县18582709494: 最容易得到的称号是什么? - ?
佘侧瑞安: 1000G 已经是最简单的了其次是【火车王】,组个FQ,再来个FS,搞定你有时间可以做下【探索者】称号,把所有地图开了就有,还奖励一个紫色战袍