近日，我校物理科学与技术学院张荣院士团队傅德颐课题组在室温高效自旋注入研究方面取得重要进展，相关研究成果以“Room-temperature high-efficiency spin injection via van der Waals tunnel contact”为题在线发表于《Nature Communications》期刊。该工作创新性地利用铟缓冲层实现了三维铁磁金属与二维材料之间的范德华隧穿接触，在石墨烯和二硫化钼等材料中展示了高效的室温自旋注入，为未来大规模自旋电子器件应用提供了简单、高效的解决方案。

自旋注入是自旋电子学应用的核心环节，其高效性和可靠性对于开发低功耗、高灵敏度器件至关重要。石墨烯因其超低自旋轨道耦合和高载流子迁移率，被视为理想的自旋传输平台。然而，传统方法中，铁磁金属直接沉积在石墨烯上会形成透明接触，导致自旋注入效率极低（通常不足1%）。为提高效率，研究者们通常引入氧化物介质层（如MgO）或二维六方氮化硼（hBN）作为隧穿层，但这些方法存在工艺复杂、针孔缺陷多、可扩展性差等问题。尤其是高质量氧化物介质层的生长需要超高真空技术，而hBN的厚度控制和转移过程易引入污染，限制了其实际应用。因此，开发一种简单、可扩展且高效的自旋注入策略成为领域内的关键挑战。

针对上述难题，研究团队提出了一种创新策略：在铁磁钴（Co）电极和石墨烯之间插入一层铟（In）缓冲层，形成范德华隧穿接触。团队在石墨烯横向自旋阀中明确观测到非局域自旋阀信号和汉勒自旋进动信号，证实了自旋极化电流的成功注入。通过优化铟层厚度（约4纳米），在室温下实现了25%的自旋注入效率，这一数值与目前最优的氧化物遂穿层器件相当。更引人注目的是，该方法展现出优异的可扩展性——在多沟道石墨烯器件中，所有沟道均表现出均匀的自旋信号（平均效率约16.5%）；在超长沟道（15微米）器件中，自旋扩散长度达5.9微米，信号强度比同类器件高1~2个数量级。此外，团队还将该策略成功应用于半导体二硫化钼（MoS₂）体系，首次实现了平均19.7%的自旋注入效率，证明了该接触策略的普适性。

理论分析和实验表征表明，铟缓冲层能有效阻止钴与石墨烯之间的化学杂化，形成约2.83Å的范德华间隙，这一间隙可作为隧穿势垒，其有效势垒高度约62.8meV。通过一维漂移-扩散模型拟合，团队进一步验证了自旋注入由隧穿效应主导，从而解释了高效注入的物理机制。该方法仅需在工业兼容的电子束蒸发设备中连续沉积两层金属，无需复杂的外延生长或二维材料转移流程，极大降低了制备成本。

图1. （a）Co/In电极与石墨烯之间范德华界面的扫描透射电镜照片；（b）室温下基于Co/In电极和Co电极的石墨烯横向非局域自旋阀信号对比（插图为Co/In电极接触的自旋阀的Hanle自旋进动信号）；（c）低温下自旋注入效率随栅压的变化；（d）多沟道石墨烯自旋阀器件的自旋注入效率分布图；（e）长沟道石墨烯自旋的Hanle自旋进动信号；（f）二维半导体MoS2中的自旋阀信号随沟道长度的变化。

该研究不仅解决了自旋注入效率与可扩展性之间的权衡难题，而且首次在MoS₂等二维半导体材料中实现了高效自旋注入，为室温自旋电子器件（如磁存储器、传感器和量子计算元件）的大规模应用铺平了道路。其简单、低成本的制备工艺尤其适合未来产业化需求。

我校2022级博士研究生黄世明、2024级博士研究生朱莲英、粤港澳大湾区（广东）量子科学中心侯福臣副研究员和新加坡国立大学物理系曲廷玉博士为论文的共同第一作者，我校傅德颐副教授、张峰教授、南方科技大学林君浩教授和南京大学高力波教授为论文的共同通讯作者。张荣院士对该工作给予了全程指导。该工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、厦门大学校长基金等项目的资助，以及厦门大学微纳光电子材料与器件教育部工程研究中心、福建省半导体材料及应用重点实验室等平台的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-67989-7

（物理科学与技术学院）