半導體所等在室溫全電控制自旋翻轉研究中取得突破

　　在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院有關項目基金的支持下，中科院半導體研究所超晶格國家重點實驗室研究員王開友課題組及其合作者，在室溫無外加磁場條件下，利用電場-電流的方法成功實現了垂直鐵磁器件的自旋可控翻轉，該工作發表在國際期刊《自然-材料》（Nature Materials，DOI:10.1038/nmat4886）上，并申請了相關國內和國際ZL。此項工作不僅從實驗上演示了電場控制電流誘導自旋的可控定向翻轉，并采用微磁學理論揭示了電場作用導致的可控定向翻轉的物理本質。這一突破性的成果對于新型磁隨機存儲器和磁邏輯的設計和發展開辟了新的發展思路。

　　經典物理中對于磁性材料中的磁性操控主要都是利用外加磁場，但是由于磁場的彌散特性，導致了這種方法調控磁性器件的尺寸很難進一步減小。在上個世紀末，Berger和Slonczewski等人分別提出，自旋極化電流通過非均勻磁化的磁性材料或者磁性隧穿結，自旋極化電子與局域磁矩發生相互作用，將其角動量轉移到局域磁矩，從而可以實現電流驅動磁疇壁運動，也可以實現磁性隧道結和自旋閥中自由層磁矩進動或翻轉，這就是所謂的自旋轉移矩效應，這種原理是當前產業界研制新一代磁隨機存儲器（MRAM）的基礎，需要比較大的電流直接流過磁性材料及異質結，對器件的穩定性帶來了巨大的挑戰。

　　當電流通過具有強自旋軌道耦合的非磁性材料（如重金屬Pt，Ta和半導體GaAs等）時，自旋向上和向下的電子由于受到自旋軌道相互作用，分別在界面的兩側積累，這也被稱為自旋霍爾效應(spin Hall effect, SHE)。研究人員在前期的工作中演示了生長于Si/SiO2襯底上的Pt/CoNiCo/Pt體系，利用自旋霍爾效應產生的純自旋流成功實現了自旋的翻轉，它的優勢在于不需要電流直接流過器件的磁性層，對提高器件的穩定性有重要意義。但是，垂直各向異性的CoNiCo磁性層，其向下和向上的磁能是等價的，所以，僅在純自旋流的作用下，體系不能實現定向翻轉，需要施加沿著面內電流方向的磁場才能導致定向翻轉，對于實際應用是非常不利的。

　　基于此，研究的目標轉向尋找室溫無外加磁場條件下，用純電學方法實現自旋翻轉的可控操作。雖然目前已有相關方面工作的報道，但是都不能實現自旋翻轉的完全可控。該工作中，研究人員在鐵電襯底PMN-PT上生長同樣的Pt/CoNiCo/Pt結構，并制備成霍爾器件。在排除壓電效應的基礎上，他們發現沿著面內電流方向施加的外加磁場，可以有效地調控器件自旋的定向翻轉，表現出與Si/SiO2襯底上器件一致的特性（見圖1）。

　　有意思的是，在無外加磁場條件下，將PMN-PT襯底沿著電流方向極化，撤去電壓后研究電流誘導磁化翻轉，如圖2所示，發現外加于PMN-PT的正/負電場可以與面內沿電流方向正/負磁場產生同樣的效果，即可以實現電流誘導自旋的可控定向翻轉。研究人員還演示了電壓調控下，脈沖電流驅動器件中自旋定向翻轉的動態響應。

　　它的物理起源為：由于剩余的鐵電極化，絕緣體PMN-PT的表面電場梯度與器件中的電場梯度不一致，從而產生了一個沿電流方向的垂直電場梯度。此垂直電場可以有效地偏轉PMN-PT襯底近鄰Pt層的自旋極化狀態，大垂直電場會導致更強的自旋偏轉。因此，在電流誘導自旋翻轉的過程中，下層Pt中的自旋流是由自旋霍爾效應和垂直電場產生的自旋流的疊加，它存在一個沿著電流方向的自旋流密度梯度。研究人員首次將自旋流密度梯度項產生的力矩引入到LLG方程中，用微磁學理論計算驗證得到的結果與實驗結果一致。此工作的開展為無外場下電學方法對自旋定向翻轉的可控操作提供了更加深刻的物理認識。

　　該論文的第一作者為博士生蔡凱明和助理研究員楊美音，通訊作者為王開友，合作者包括北京工商大學教授李寶河課題組、北京微電子所博士王素梅、英國諾丁漢大學博士Kevin William Edmonds、中科院半導體所研究員姬揚及中科院院士鄭厚植。

　　然而，這種器件構型目前還處于基礎研究的階段，距離實際應用尚有很多問題亟待解決，具體包括電場強度和電流密度過大，而且器件尺寸也太大。實現高穩定性的、高密度低能耗的純電控自旋器件，是其走向應用的關鍵。該課題組也在這方面進行了努力，在室溫下零磁場下，利用壓電效應，單純用電壓實現了Heusler合金Co2FeAl器件面內磁化90度的翻轉，伴隨而來的是器件的平面霍爾電壓發生變號，并基于壓電調控的平面霍爾效應器件，演示了NOT和NOR的簡單邏輯功能，這可以大大降低器件的能耗。