石墨烯电自旋注入器件的界面调控及机制探索

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号：
    51602013
  • 项目类别：
    青年科学基金项目
  • 资助金额：
    20.0万
  • 负责人：
    林晓阳
  • 依托单位：
    北京航空航天大学
  • 学科分类：
    E0203.碳素材料与超硬材料
  • 结题年份：
    2019
  • 批准年份：
    2016
  • 项目状态：
    已结题
  • 起止时间：
    2017-01-01 至2019-12-31

项目摘要

The electrical spin injection into graphene, combing the merits of both carbon nanomaterials and spintronics, can realize long distance transport of spin current and even low-power spintronics-based computing. As verified by experiments of electrical spin injection, the spin diffusion length (SDL) in graphene can be longer than 10 microns. To explore the ultimate capability of spin transport in graphene, some key issues need to be solved. The first one is about the fabrication and modulation of high quality tunnel barriers on graphene. In this project, we will study the issue of fabricating high-quality tunnel barriers on graphene, and will develop some methods to realize fine tuning of the barrier quality and property. Another key issue is about the spin relaxation mechanism and new-type spin injection/detection methods. By evaluating the spin transport in graphene and graphene nanoscroll (GNS), we will be able to understand the influence of spin-orbit coupling induced by curvature on the spin transport in graphene. Based on spin Hall effect (SHE) and inverse spin Hall effect (i-SHE), we will also try to develop new-type spin injection and detection method. The core issue is about the device research. We will focus on two points: the clean patterning of van der Waals heterojunction device and one-dimensional spin injection into two-dimensional graphene channel. The spin injection into graphene through the edge will enable the exploration of “What’s the influence of the edge on the spin injection into graphene”.
石墨烯的电自旋注入融合了碳纳米材料和自旋电子两大研究方向的优点，可以实现长距离的自旋传输乃至超低功耗自旋逻辑计算。使用电自旋注入的办法，目前实验上已经证明石墨烯体系的自旋扩散长度可以大于10μm。然而，这一方向还存在几个关键科学问题有待解决。首先，电自旋注入的关键在于实现石墨烯表面隧穿层的高品质制备以及精确调控。本项目将研究石墨烯表面高品质隧穿层的制备问题，发展隧穿层品质及特性的调控方法。其次，自旋弛豫机制研究和注入及探测方法探索是电自旋注入的重要问题。本项目将对石墨烯与石墨烯纳米卷的自旋传输问题进行研究，从而厘清曲率导致的自旋-轨道耦合变化对于石墨烯自旋传输的影响。同时，本项目将探索基于自旋霍尔效应及逆自旋霍尔效应的新型电自旋注入及探测方法。最后，器件研究是电自旋注入的核心问题。本项目将从范德瓦尔斯器件图形化、石墨烯一维电自旋注入两个方面进行探索，探究边缘对于石墨烯自旋注入的影响。

结项摘要

石墨烯的电自旋注入融合了碳纳米材料和自旋电子两大研究方向的优点，可以实现长距离的自旋传输乃至超低功耗自旋逻辑计算。本项目围绕石墨烯电自旋注入的关键问题，从界面调控、机制探索和器件研究三个方面进行了深入探索。在界面调控方面，发展了石墨烯表面高品质隧穿层的可控制备方法；实现了纳米厚度相变材料二氧化钒的室温可控制备，揭示了二氧化钒调控磁特性的规律及原理；制备了具有一维接触特性的石墨烯横向自旋阀；揭示了金属包覆层对铁磁电极磁特性的调控规律及原理。在机制探索方面，开展了范德瓦尔斯异质结体系高效自旋-电荷转换机制的探索；揭示了门电压调控石墨烯电导率及自旋扩散长度，实现自旋流引导及逻辑器件应用的物理机制；揭示了二维材料体系基于谷塞曼有效场的自旋操纵实验规律及物理机制，实现了太赫兹的自旋进动及磁阻调控；对于二维铁磁及过渡金属硫化物的二维材料范德瓦尔斯异质结，通过理论计算揭示了界面自旋过滤诱导的磁阻增强效应。在器件研究方面，实现了不同形态及具有不同隧穿层的石墨烯横向自旋阀器件的制备，实验上测得了显著的自旋注入信号；基于相变材料二氧化钒，实现了具有光控特性的新型磁阻器件；面向石墨烯电自旋注入器件本征特性的探测，发展了一套矢量磁阻探测方法，明确了硅片衬底上单层石墨烯的自旋弛豫机制，提出了提高自旋探测效率的方法；发展了一套面向器件构筑的二维材料异质结的活字转移和堆垛技术。项目发表相关论文16篇，发表于Nature Electronics、Physical Review Applied、ACS Nano、Nano Research、APL等期刊。项目累计培养博士生3人、硕士生2人，项目负责人2019年入选中国科协青年人才托举工程。

项目成果

期刊论文数量（16）
专著数量（0）
科研奖励数量（0）
会议论文数量（0）
专利数量（5）
Energy-Efficient Domain-Wall Motion Governed by the Interplay of Helicity-Dependent Optical Effect and Spin-Orbit Torque
由螺旋度相关光学效应和自旋轨道扭矩相互作用控制的节能畴壁运动
  • DOI：
    10.1103/physrevapplied.11.034001
  • 发表时间：
    2018-10
  • 期刊：
    Physical Review Applied
  • 影响因子：
    4.6
  • 作者：
    Boyu Zhang;Yong Xu;Weisheng Zhao;Daoqian Zhu;Xiaoyang Lin;Michel Hehn;Gregory Malinowski;Dafine Ravelosona;Stephane Mangin
  • 通讯作者：
    Stephane Mangin
Intelligent identification of two-dimensional nanostructures by machine-learning optical microscopy
通过机器学习光学显微镜智能识别二维纳米结构
  • DOI：
    10.1007/s12274-018-2155-0
  • 发表时间：
    2018-12-01
  • 期刊：
    NANO RESEARCH
  • 影响因子：
    9.9
  • 作者：
    Lin, Xiaoyang;Si, Zhizhong;Zhao, Weisheng
  • 通讯作者：
    Zhao, Weisheng
Scaling Study of Spin-Hall-Assisted Spin Transfer Torque Driven Magnetization Switching in the Presence of Dzyaloshinskii–Moriya Interaction
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  • DOI：
    10.1109/tnano.2017.2754406
  • 发表时间：
    2017-09
  • 期刊：
    IEEE Transactions on Nanotechnology
  • 影响因子：
    2.4
  • 作者：
    Yuqian Gao;Zhaohao Wang;Xiaoyang Lin;Wang Kang;Youguang Zhang;Weisheng Zhao
  • 通讯作者：
    Weisheng Zhao
Silicene spintronics:Fe(111)/silicene system for efficient spin injection
硅烯自旋电子学：用于高效自旋注入的 Fe(111)/硅烯系统
  • DOI：
    10.1063/1.4999202
  • 发表时间：
    2017
  • 期刊：
    Applied Physics Letters
  • 影响因子：
    4
  • 作者：
    Jiaqi Zhou;Arnaud Bournel;Yin Wang;Xiaoyang Lin;Yue Zhang;Weisheng Zhao
  • 通讯作者：
    Weisheng Zhao
Heterogeneous Memristive Devices Enabled by Magnetic Tunnel Junction Nanopillars Surrounded by Resistive Silicon Switches
由电阻硅开关包围的磁隧道结纳米柱实现的异质忆阻器件
  • DOI：
    10.1002/aelm.201700461
  • 发表时间：
    2017-08
  • 期刊：
    Advanced Electronic Materials
  • 影响因子：
    6.2
  • 作者：
    Yu Zhang;Xiaoyang Lin;Jean-paul Adam;Guillaume Agnus;Wang Kang;Wenlong Cai;Jean-rene Coudevylle;Nathalie Isac;Jianlei Yang;Huaiwen Yang;Kaihua Cao;Hushan Cui;Deming Zhang;Youguang Zhang;Chao Zhao;Weisheng Zhao;Dafine Ravelosona
  • 通讯作者：
    Dafine Ravelosona

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    程恩
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  • 作者：
    林晓阳;刘建军;张文昌;庄志雄
  • 通讯作者：
    庄志雄

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基于超快自旋流的全光磁化翻转机理及高速磁隧道结器件实验研究
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相似国自然基金

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课题项目：调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要：

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题，其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子，其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而，TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用，影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法，探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用，为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义，并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路：

科学问题：TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达？
前期研究：已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应，但其具体机制尚不明确。
研究创新点：本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线：包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术：TRIM2与病毒RNA的相互作用分析，IFN-β启动子活性检测。
实验模型：使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
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