发布时间: 2026-08-12 / 点击数:

北航新闻网8月12日电（通讯员 邓修齐）近日，北京航空航天大学集成电路科学与工程学院赵巍胜教授团队在交换偏置的电学调控领域取得重要进展。团队提出了一种基于单根碳纳米管的无光刻图案化策略，在8.66 nm尺度验证了交换偏置效应的稳定存在与电学调控。相关研究成果以“Electrical control of exchange bias in sub-10 nm regime enabled by single-nanotube patterning”为题，发表于国际综合期刊Nature Communications。

随着自旋轨道矩磁随机存储器工艺尺寸不断微缩，铁磁自由层的热稳定性已成为制约数据存储可靠性的关键瓶颈。利用铁磁/反铁磁界面的交换偏置效应实现数据稳定存储，有望是突破该瓶颈的一条关键技术路线。然而，传统光刻技术在亚10nm尺度下面临分辨率极限与工艺兼容性瓶颈，导致交换偏置效应在这一关键尺寸范围内的性能尚未验证。

图1 单根碳纳米管赋能亚10 nm交换偏置器件技术方案

针对这一难题，团队提出了一种基于碳纳米管的无光刻掩膜技术（图1）。该策略以单根超长悬空碳纳米管为模板，通过包覆抗刻蚀金属钌，形成CNT@Ru纳米线掩模。该方案本质上利用碳纳米管的纳米级直径属性，赋能了极限尺寸下的器件加工，从而规避了传统光刻技术的分辨率限制。

图2 亚10 nm交换偏置器件制备细节和形貌分析

基于该方案，团队将交换偏置器件的物理尺寸缩减至8.66 nm。电学测试表明，自旋轨道矩可有效驱动该器件的铁磁磁矩翻转，并实现交换偏置状态的可控重构。所制备的10个器件均实现了铁磁层与交换偏置状态的同步翻转，经1000次连续脉冲翻转后仍保持稳定，展现出良好的耐受性与可靠性。

图3 亚10 nm下自旋轨道矩调控交换偏置电学特性

该工作首次在亚10 nm尺度下验证了交换偏置效应的电学可调控性，所采用的碳纳米管掩模方案亦可广泛用于其他极限尺寸器件的原理性验证。

该项工作由北航集成电路科学与工程学院、国际创新学院（杭州北航国际创新研究院）、自旋芯片与技术全国重点实验室，法国巴黎萨克雷大学，清华大学物理系、低维量子物理全国重点实验室等单位合作完成。北航集成电路科学与工程学院博士生李和昕、师资博士后张科为论文共同第一作者；北航赵巍胜教授和师资博士后张科为论文共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、博士后特别资助等项目的支持。

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