如何讓電子器件運行更快、功耗更低？自旋電子學被認為是重要方向之一。記者從廈門大學獲悉，近日，該校物理科學與技術學院張榮院士團隊傅德頤課題組在這一領域取得重要突破，創新性地利用金屬銦作為緩沖層，在室溫下實現了高達25%的自旋注入效率，為開發新型磁存儲器和傳感器等提供了簡單高效的解決方案。相關研究成果在線發表于國際期刊《自然·通訊》（Nature Communications）。

自旋注入是自旋電子學應用的核心環節，可以理解為讓攜帶信息的“自旋電流”順利進入傳輸材料。石墨烯因其超低自旋軌道耦合和高載流子遷移率，被公認為理想的自旋傳輸平臺。但長期以來存在一個難題：如果直接把鐵磁金屬沉積在石墨烯上，兩者接觸過于“透明”，超過99%的自旋信息在入口處就會丟失，注入效率不足1%。

為提高效率，傳統方法需要在兩者之間插入極薄的絕緣介質層（如氧化鎂或二維六方氮化硼）作為“隧穿勢壘”。但這些方法存在工藝復雜、容易產生缺陷、可擴展性差等問題，限制了實際應用。

廈大團隊提出了一種創新性的簡化方案：在鐵磁鈷（Co）電極和石墨烯之間，插入一層約4納米厚的金屬銦作為緩沖層。這層銦既能阻止鈷與石墨烯的直接化學接觸，又自然形成了一個約0.28納米的范德華間隙——范德華力是原子與分子間一種天然存在的微弱吸引力——由它維持的微小間距恰好可以作為自旋信息有序通過的“隧道”，其有效勢壘高度約為62.8毫電子伏特。

實驗結果表明，這一策略效果顯著。團隊在石墨烯橫向自旋閥結構中清晰觀測到了自旋注入的特征信號，室溫下的注入效率達到25%，與當前最復雜的氧化物隧穿結器件相當。

更令人關注的是，該方法展現出優異的可擴展性：一是多通道一致性，在多溝道石墨烯器件中，所有通道均表現出均勻的自旋信號，平均效率達16.5%；二是長距離傳輸，在15微米的超長溝道中，自旋信號仍能穩定傳播，自旋擴散長度達5.9微米，信號強度比同類器件高1到2個數量級；三是材料普適性，團隊還將該方法成功應用于半導體二硫化鉬（MoS_2），首次實現了平均19.7%的自旋注入效率，證明該策略可推廣到更多材料體系。

理論分析表明，金屬銦緩沖層形成的范德華間隙起到了關鍵的隧穿勢壘作用，使自旋注入由隧穿效應主導，從而解釋了高效注入的物理機制。

這項研究的另一亮點在于其制備工藝相對簡便——僅需在工業通用的電子束蒸發設備中連續沉積兩層金屬，無需復雜的外延生長或二維材料轉移流程，降低了制備成本和產業化門檻。

業內人士指出，它不僅解決了自旋注入效率與可擴展性之間的權衡難題，而且首次在MoS_2等二維半導體材料中實現了高效自旋注入，為室溫自旋電子器件（如磁存儲器、傳感器和量子計算元件）的大規模應用鋪平了道路。其簡單、低成本的制備工藝尤其適合未來產業化需求。

該研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、廈門大學校長基金等項目的資助，以及廈門大學微納光電子材料與器件教育部工程研究中心、福建省半導體材料及應用重點實驗室等平臺的支持。 （福建日報記者 李珂）