半导体所等在垂直亚铁磁单层膜中发现新型自旋轨道矩

自旋轨道矩（Spin-orbit torque）是一种利用自旋轨道耦合产生自旋流并通过角动量转移实现磁性材料电调控的有效方法，通常发生在具有反演对称性破缺的自旋霍尔金属/磁性材料界面等。亚铁磁是具有两套反平行排列、相互竞争磁晶格的一类重要磁性材料。亚铁磁因其高速自旋动力学、角动量和磁性高度可控补偿、易探测等独特优势成为有广泛应用前景的信息功能材料。发展低功耗、高速、高密度非易失亚铁磁自旋存储和计算新技术的关键是实现巨大垂直磁各向异性、易集成亚铁磁材料的高效电调控。物理上，亚铁磁为探究反铁磁耦合体系的特有自旋现象提供了灵活、便捷的研究平台。

最近，中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室研究员朱礼军课题组与美国康奈尔大学教授Daniel Ralph、David Muller等合作，在组分均匀、兼容传统CMOS工艺、巨大垂直磁各向异性的亚铁磁FeTb薄膜中发现了非传统自旋轨道矩效应，并利用该新型自旋轨道矩在室温下实现了几十纳米厚度FeTb薄膜仅为几个MA/cm²的超低电流密度翻转。研究表明该新型自旋轨道矩为一种体自旋轨道耦合效应，总自旋轨道矩效率随厚度增大而单调增大，并在90纳米厚度时达到了300%；单位厚度自旋轨道矩效应达到0.036 nm^-1，是目前文献报道的最高值；物理起源为内部自旋霍尔效应和某种hidden反演对称性破缺的相互作用，其强度可通过样品组分调控，其符号随角动量和磁矩的平行或反平行排列发生改变。上述新发现与以往在均匀铁磁体系的研究结果 (Adv. Funct. Mater. 2020: 30, 2005201; Adv. Funct. Mater. 2021:31, 2103898) 为研究非传统自旋轨道矩效应及其在低功耗、高速、高密度自旋存储和计算技术中的应用提供了重要物理原理信息。

相关研究成果在线发表在Applied Physics Reviews上，并入选“研究亮点”。研究工作得到中科院战略性先导科技专项、半导体所等的支持。

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图1.扫描透射电镜（STEM）图像及元素能量损失谱，从中可以清楚地看到FeTb是界面平整、组分均匀的非晶薄膜

图2.（a）单层膜中体自旋轨道矩示意图；（b）体自旋轨道矩效率随厚度增加而增加，且在较大厚度时达到了300%；（c）20 纳米薄膜中自旋轨道矩效率和有效旋磁比对Tb组分的强烈依赖关系。中间组分的反号行为表明该新型自旋轨道矩依赖于体系角动量和磁矩的相对取向

图3.新型体自旋轨道矩驱动巨大垂直磁各向异性和高矫顽力FeTb薄膜（Hk ≈ 35 kOe, Hc = 1. 6 kOe）实现低电流密度翻转（~5 MA/cm²）