半导体所等在室温全电控制自旋翻转研究中取得突破

摘要: 　　在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院有关项目基金的支持下，中科院半导体学习所超晶格国家重点实验室学习员王开友课题组及其合作者，在室温无外加磁场条件下，利用电场-电流的方法成功实现了垂直铁磁器件 ...

　　在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院有关项目基金的支持下，中科院半导体学习所超晶格国家重点实验室学习员王开友课题组及其合作者，在室温无外加磁场条件下，利用电场-电流的方法成功实现了垂直铁磁器件的自旋可控翻转，该工作发表在国际期刊自然-材料（Nature Materials，DOI:10.1038/nmat4886）上，并申请了相关国内和国际专利。此项工作不仅从实验上演示了电场控制电流诱导自旋的可控定向翻转，并采用微磁学理论揭示了电场作用导致的可控定向翻转的物理本质。这一突破性的成果对于新型磁随机存储器和磁逻辑的设计和发展开辟了新的发展思路。
　　经典物理中对于磁性材料中的磁性操控主要都是利用外加磁场，但是由于磁场的弥散特性，导致了这种方法调控磁性器件的尺寸很难进一步减小。在上个世纪末，Berger和Slonczewski等人分别提出，自旋极化电流通过非均匀磁化的磁性材料或者磁性隧穿结，自旋极化电子与局域磁矩发生相互作用，将其角动量转移到局域磁矩，从而可以实现电流驱动磁畴壁运动，也可以实现磁性隧道结和自旋阀中自由层磁矩进动或翻转，这就是所谓的自旋转移矩效应，这种原理是当前产业界研制新一代磁随机存储器（MRAM）的基础，需要比较大的电流直接流过磁性材料及异质结，对器件的稳定性带来了巨大的挑战。
　　当电流通过具有强自旋轨道耦合的非磁性材料（如重金属Pt，Ta和半导体GaAs等）时，自旋向上和向下的电子由于受到自旋轨道相互作用，分别在界面的两侧积累，这也被称为自旋霍尔效应(spin Hall effect， SHE)。学习人员在前期的工作中演示了生长于Si/SiO2衬底上的Pt/CoNiCo/Pt体系，利用自旋霍尔效应产生的纯自旋流成功实现了自旋的翻转，它的优势在于不需要电流直接流过器件的磁性层，对提高器件的稳定性有重要意义。但是，垂直各向异性的CoNiCo磁性层，其向下和向上的磁能是等价的，所以，仅在纯自旋流的作用下，体系不能实现定向翻转，需要施加沿着面内电流方向的磁场才能导致定向翻转，对于实际应用是非常不利的。
　　基于此，学习的目标转向寻找室温无外加磁场条件下，用纯电学方法实现自旋翻转的可控操作。虽然目前已有相关方面工作的报道，但是都不能实现自旋翻转的完全可控。该工作中，学习人员在铁电衬底PMN-PT上生长同样的Pt/CoNiCo/Pt结构，并制备成霍尔器件。在排除压电效应的基础上，他们发现沿着面内电流方向施加的外加磁场，可以有效地调控器件自旋的定向翻转，表现出与Si/SiO2衬底上器件一致的特性（见图1）。
　　有意思的是，在无外加磁场条件下，将PMN-PT衬底沿着电流方向极化，撤去电压后学习电流诱导磁化翻转，如图2所示，发现外加于PMN-PT的正/负电场可以与面内沿电流方向正/负磁场产生同样的效果，即可以实现电流诱导自旋的可控定向翻转。学习人员还演示了电压调控下，脉冲电流驱动器件中自旋定向翻转的动态响应。
　　它的物理起源为：由于剩余的铁电极化，绝缘体PMN-PT的表面电场梯度与器件中的电场梯度不一致，从而产生了一个沿电流方向的垂直电场梯度。此垂直电场可以有效地偏转PMN-PT衬底近邻Pt层的自旋极化状态，大垂直电场会导致更强的自旋偏转。因此，在电流诱导自旋翻转的过程中，下层Pt中的自旋流是由自旋霍尔效应和垂直电场产生的自旋流的叠加，它存在一个沿着电流方向的自旋流密度梯度。学习人员首次将自旋流密度梯度项产生的力矩引入到LLG方程中，用微磁学理论计算验证得到的结果与实验结果一致。此工作的开展为无外场下电学方法对自旋定向翻转的可控操作提供了更加深刻的物理认识。
　　该论文的第一作者为博士生蔡凯明和助理学习员杨美音，通讯作者为王开友，合作者包括北京工商大学教授李宝河课题组、北京微电子所博士王素梅、英国诺丁汉大学博士Kevin William Edmonds、中科院半导体所学习员姬扬及中科院院士郑厚植。
　　然而，这种器件构型目前还处于基础学习的阶段，距离实际应用尚有很多问题亟待解决，具体包括电场强度和电流密度过大，而且器件尺寸也太大。实现高稳定性的、高密度低能耗的纯电控自旋器件，是其走向应用的关键。该课题组也在这方面进行了努力，在室温下零磁场下，利用压电效应，单纯用电压实现了Heusler合金Co2FeAl器件面内磁化90度的翻转，伴随而来的是器件的平面霍尔电压发生变号，并基于压电调控的平面霍尔效应器件，演示了NOT和NOR的简单逻辑功能，这可以大大降低器件的能耗。
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