張慶瑞教授國際團隊在石墨烯自旋電子學研究取得重要進展

臺灣大學張慶瑞教授及其學生徐銘鍵，黃琮暐在石墨烯自旋電子學研究方面取得重要進展。其研究結果於2017年2月15日在國際權威學術期刊Nature Communications上發表論文“Large Positive In-Plane Magnetoresistance Induced by Localized States at Nanodomain Boundaries in Graphene”（DOI：10.1038/NCOMMS14453）。張慶瑞教授為論文的共同通訊作者負責理論解析，北京理工大學吳漢春教授為第一作者負責實驗量測，並和國際的多國專家共同合作，主要合作者包括中國科學院離子體物理研究所劉華軍研究員，俄羅斯科學院固體所Alexander Chaika博士，愛爾蘭聖三一學院物理系系主任Igor Shvets教授，德國漢堡大學Alexander Lichtenstein教授和荷蘭奈梅亨大學Mikhail Katsnelson教授。

自旋電子學研究利用創新的方法來操縱電子自旋自由度進行資訊的傳遞、處理與儲存，具有目前傳統微電子學無法比擬的優勢。當前自旋電子學正處於快速發展時期，隨著科學技術的發展和人們認識水準的提高，很多新的現象和應用不斷被揭示和發現。進入新世紀以來，以石墨烯為代表的二維材料的出現，為自旋電子學的發展帶來了新的動力。石墨烯被稱為“黑金”，是“新材料之王”，已掀起一場席捲全球新技術革命。石墨烯具有非凡的電子性質，有別於一般的導體，它不但能傳遞電子訊號，更特別的是它能長距離的保持電子自旋的訊號，使得電子傳輸除了能有效傳導電子，也能傳遞電子自旋訊號，因此有可能成為自旋電子學領域內充滿希望的材料。但是石墨烯自身沒有磁性，如何有效地引入自旋是主要的研究問題。張慶瑞教授與國際合作團隊經由理論和實驗相結合研究了奈米缺陷對石墨烯自旋輸運的影響，發現5-7線缺陷的局域態在無外加磁場下能產生室溫自旋過濾效應，在施加面內磁場下能導致一個5%的正磁阻，從而提供了一種在石墨烯體系中引入自旋自由度的新途徑（如下圖所示）。張慶瑞團隊主要負責實驗數據分析，第一原理與非平衡傳輸計算。

張慶瑞教授多年來在臺灣一直持續推動自旋電子學的基礎研究與應用元件開發，過去多年無論是在自旋電子的磁紀錄產業，巨磁阻(GMR)感應器或是穿隧磁阻(TMR)的磁性記憶體方面都有重要貢獻，並且促成電子羅盤產業在臺灣產業出現。此次在石墨烯上發現可以利用線缺陷造成自旋電子的產生與傳輸，亦將開拓石墨烯產業的嶄新方向。