【产通社，2月2日讯】中国科学院半导体研究所（Institute of Semiconductors Chinese Academy of Sciences, ISCAS）官网消息，数十年来，半导体及其异质结构是电子学领域基础与应用研究的基石。半导体异质结构在电子学中的成功实践，为自旋电子学的发展带来重要启示，自旋与电荷自由度的协同调控成为该领域实现性能突破的核心方向：传统磁性隧道结在信息存储与传感应用中表现优异，但信息传输与处理效率偏低；而半导体恰好具备高效电荷输运与信号处理能力，二者协同具有重要研究价值。当前，实现自旋与半导体电荷协同调控的主流途径为化学掺杂与自旋注入，但均面临关键挑战：化学掺杂会显著降低载流子迁移率，且易破坏材料光发射特性；自旋注入则受限于界面质量不佳与材料间电阻失配。插入隧穿势垒虽可缓解上述问题，但会阻碍电流传输进而需要施加更大偏压，最终导致器件功耗显著增加。

近期，中国科学院半导体研究所半导体芯片物理与技术全国重点实验室王开友研究员团队及其合作者在《自然-通讯》（Nature Communications）发表一项新进展：基于二维半导体p-n结的磁性隧道结，在1nA偏置电流和10K低温下实现1100%的巨大隧穿磁电阻效应。该数值与商用CoFeB/MgO基的最高低温隧穿磁电阻（5K下1144%）大小相当。同时，研究团队在该纳米级厚度磁性隧道结中观测到显著的零偏压自旋电压异常效应，类比于隧穿磁电阻效应，自旋电压效应被定义为SVE=|(VAP-VP)/VP|。在低温35K下，研究团队观察到零偏压自旋电压信号变化大小比值超过30000%，这种超大自旋信号来源于自旋向上/向下电子在结区的不对称扩散，由p-n结的内建电场驱动，并在结与环境持续能量交换的过程中产生（如图3所示）。这一发现揭示了转化与放大自旋信息用于低功耗电子器件的全新机遇。

该研究在范德华异质结构中实现的高效自旋注入与巨大磁电阻效应具有跨领域意义。半导体固有的非线性特性与二维铁磁性的电可调性为发展全电控、多功能和低功耗电子学器件提供了新机遇。正如p-n结的非线性响应对早期晶体管至关重要，零偏压反常自旋电压效应可用于实现原子级厚度范德华p-n结中的自旋逻辑与信号放大。实验中当前采用的磁场驱动方式，未来可通过自旋轨道扭矩操控铁磁体翻转来替代，从而实现非易失性磁存储器与自旋逻辑的无缝集成。结合自旋轨道扭矩与直接带隙范德华半导体，注入的自旋极化载流子角动量可转化为对发射光偏振态的控制，为低功耗长距离光学自旋信息传输开辟新途径。尽管自旋阀的核心关注点始终是其磁电阻特性，但改变磁化相对方向也会影响其边缘磁场分布。若将该研究基于二维铁磁金属Fe3GeTe2的自旋阀与超导体构建异质结构，此类边缘磁场可能诱导难以实现的自旋三重态超导电性，通过在二维结构中构建马约拉纳态，为容错拓扑量子计算提供多功能平台。

该成果以“Two-dimensional magnetic tunnel?p-n?junctions for low-power electronics”为题，发表于《自然-通讯》（Nature Communications，https://doi.org/10.1038/s41467-025-68043-2），半导体所王开友研究员为通讯作者，朱文凯博士为第一作者。相关研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金的资助。查询进一步信息，请访问官方网站http://www.semi.cas.cn/xwdt/kyjz。（Robin Zhang，产通数造）    （完）