自旋電子器件憑借低功耗、非易失性、超快讀寫等優勢，已成為新一代信息技術的重要發展方向之一。 單晶氧化物自旋霍爾材料因其突出的電荷-自旋轉換能力，被認為是開發低功耗自旋器件的理想候選材料。然而，如何實現單晶氧化物自旋霍爾材料與硅基平臺的異質集成，仍然面臨著巨大挑戰。
 

　　中國科學院寧波材料技術與工程研究所柔性磁電材料與器件團隊針對上述問題開展研究，提出了“混合轉移外延” 集成策略。研究實現了在硅襯底上單晶氧化物自旋電子器件的異質集成，為高性能硅基自旋電子器件及神經形態計算技術發展提供了重要技術路徑。
 

　　研究團隊發展出一種剝離轉移技術與外延生長結合的方法，成功實現氧化物自旋霍爾材料的硅集成。通過該方法，在硅襯底上成功制備出單晶SrRuO3薄膜，并構建了自旋軌道矩(SOT)器件。器件測試結果表明，該SOT器件表現出較高的自旋霍爾電導率 (6.1×104 ?/2e S?m-1)和較低的臨界電流密度(1.3×1010 A m-2)。器件的多態磁化翻轉特性被驗證可用于模擬生物突觸和神經元功能。基于該器件構建的人工神經網絡在圖像識別任務中的識別準確率達到88%。該研究為硅基氧化物電子學發展提供了一種新的集成方法。“混合轉移外延”策略有望推廣至更多氧化物材料體系和器件，推動高性能硅基自旋電子器件的研發，并在低功耗電子信息和神經形態計算等領域具有潛在應用價值。
 

　　研究成果以“Heterogeneous Integration of Single-Crystal SrRuO3 Films with Large Spin Hall Conductivity on Silicon for Spintronic Devices”為題發表在Advanced Functional Materials(https://doi.org/10.1002/adfm.202500755)。寧波材料所蘆增星助理研究員為第一作者，寧波材料所李潤偉研究員和汪志明研究員為論文共同通訊作者。該研究得到了國家重點研發計劃(2024YFA1410200、2019YFA0307800)、國家自然科學基金(12174406、11874367、U24A6001、 52127803、52422112)、中國科學院基礎研究青年團隊項目(YSBR-109)、寧波市科技創新2025重大專項(2022Z094)和寧波市青年博士創新項目(2023J411)的支持。
 

圖 基于氧化物SRO薄膜的低功耗SOT器件的硅集成