王以林 (教授)

低维量子功能材料和器件

集成电路是支撑信息产业发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业。在硅基集成电路达到极限尺寸之际，半导体器件面临着短沟道效应、漏电流增大、功耗增大等挑战，摩尔定律越来越难以持续，集成电路产业已进入后摩尔时代。新材料、新原理、新结构、新器件和新架构的颠覆性技术将成为后摩尔时代集成电路产业的主要选择。氧化物/二维半导体、铁磁/铁电、量子霍尔等新材料支撑新功能与新原理器件，异质异构与单片三维系统集成突破平面集成限制，实现集成度与性能提升。本课题组关注支撑后摩尔时代集成电路产业发展的新材料、新原理及新器件。

(1) 二维材料集成电路

石墨烯的发现开辟了一个二维晶体材料研究的崭新领域，其发现者Geim教授和Novoselov教授也由此获得2010年诺贝尔物理学奖。二维晶体材料通常是由单原子层或几个原子层组成，层内以强的共价键或离子键结合，而层与层之间依靠弱的范德瓦尔斯力堆叠。二维材料家族不断壮大，具有各种新奇的物理效应，如金属性、半导体性、绝缘性、拓扑性、磁性、超导性等，为基础研究和器件应用都提供了新的机遇。将不同性质的二维材料像搭积木一样以特定顺序堆叠在一起，形成范德瓦尔斯异质结，其在未来拥有无限的潜力和可能性。二维材料晶体管已经表现出超越硅基晶体管的巨大潜力，最新的国际器件与系统发展路线（IRDS）就指出，具有原子厚度的二维半导体在未来大规模集成电路中有着巨大的潜力。

我们关注过渡金属化合物（如MoS₂、MoTe₂、WTe₂等）、二维磁性材料（如CrI₃、Cr₂Ge₂Te₆、Fe₃GeTe₂等）、拓扑绝缘体（如Bi₂Se₃、Sb₂Te₃等），利用场效应、掺杂、界面工程等手段调控二维材料及其异质结中的电荷、自旋以及轨道，研究其中的新奇物理现象，探索其在集成电路中的应用。

(2) 自旋电子学

电子具有电荷和自旋两个内禀属性。人们调控电子的电荷属性，发展了以半导体为基础的微电子学，目前遇到摩尔定律瓶颈的限制。利用电子的自旋属性进行信息存储、传递与处理所开发的新型自旋电子学器件，具有非易失性、存储密度高、能耗低和响应快等优点，将成为后摩尔时代电子器件的核心技术之一。

1988 年巨磁阻效应（GMR）的发现以及其在高密度磁硬盘（HDD）中的应用，打开了人们研发自旋电子材料和器件的大门，GMR 效应的发明人—法国科学家A. Fert 和德国科学家P. Grünberg因此荣获了2007 年诺贝尔物理学奖。电子的自旋特性还诱导出多种的量子效应，如自旋霍尔效应、自旋转移力矩（STT）效应、自旋轨道力矩（SOT）效应、拓扑表面态、量子自旋霍尔效应、量子反常霍尔效应等，发现和理解新型自旋效应并探索其在新型电子器件中的应用，是当前自旋电子学研究的核心。

我们关注1）新材料，包括二维磁性材料和拓扑量子材料，调控其内禀属性并开发新型自旋电子学器件；2）利用自旋轨道转矩( SOT )效应进行磁化操纵，完成信息的写入与存储，开发读写速度快、功耗低的磁存储器件（SOT-MRAM）；3）利用磁振子作为信息载体或翻转磁性单元，实现低功耗信息存储和逻辑运算。