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突破 | 半導(dǎo)體所在垂直亞鐵磁單層膜中發(fā)現(xiàn)新型自旋軌道矩

2022/04/24
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自旋軌道矩(Spin-orbit torque)是一種利用自旋軌道耦合產(chǎn)生自旋流并通過(guò)角動(dòng)量轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)磁性材料電調(diào)控的有效方法,通常發(fā)生在具有反演對(duì)稱(chēng)性破缺的自旋霍爾金屬/磁性材料界面等。亞鐵磁是具有兩套反平行排列、相互競(jìng)爭(zhēng)磁晶格的一類(lèi)重要磁性材料。亞鐵磁因其高速自旋動(dòng)力學(xué)、角動(dòng)量和磁性高度可控補(bǔ)償、易探測(cè)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)成為一種有廣泛應(yīng)用前景的信息功能材料。發(fā)展低功耗、高速、高密度非易失亞鐵磁自旋存儲(chǔ)和計(jì)算新技術(shù)的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)巨大垂直磁各向異性、易集成亞鐵磁材料的高效電調(diào)控。物理上,亞鐵磁為探究反鐵磁耦合體系的特有自旋現(xiàn)象提供了靈活、便捷的研究平臺(tái)。

最近,中科院半導(dǎo)體所半導(dǎo)體超晶格國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的朱禮軍課題組與美國(guó)康奈爾大學(xué)Daniel Ralph教授、David Muller教授等合作,在組分均勻、兼容傳統(tǒng)CMOS工藝、巨大垂直磁各向異性的亞鐵磁FeTb薄膜中發(fā)現(xiàn)了一種非傳統(tǒng)自旋軌道矩效應(yīng),并利用該新型自旋軌道矩在室溫下實(shí)現(xiàn)了幾十納米厚度FeTb薄膜僅為幾個(gè)MA/cm2的超低電流密度翻轉(zhuǎn)。

研究表明該新型自旋軌道矩為一種體自旋軌道耦合效應(yīng),總自旋軌道矩效率隨厚度增大而單調(diào)增大,并在90納米厚度時(shí)達(dá)到了300%;單位厚度自旋軌道矩效應(yīng)達(dá)到了0.036nm-1,是目前文獻(xiàn)報(bào)道的最高值;物理起源為內(nèi)部自旋霍爾效應(yīng)和某種hidden反演對(duì)稱(chēng)性破缺的相互作用,其強(qiáng)度可通過(guò)樣品組分調(diào)控,其符號(hào)隨角動(dòng)量和磁矩的平行或反平行排列發(fā)生改變。這些新發(fā)現(xiàn)與之前在均勻鐵磁體系的研究結(jié)果 (Adv. Funct. Mater. 2020: 30, 2005201; Adv. Funct. Mater. 2021:31, 2103898) 一起為研究非傳統(tǒng)自旋軌道矩效應(yīng)及其在低功耗、高速、高密度自旋存儲(chǔ)和計(jì)算技術(shù)中的應(yīng)用提供了重要物理原理信息。相關(guān)工作在線發(fā)表在美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)旗艦期刊Applied Physics Reviews (影響因子19.162),并入選“研究亮點(diǎn)”。朱禮軍研究員為通訊作者,博士后劉前標(biāo)和朱禮軍研究員為共同一作。該工作得到了中科院先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)、中科院半導(dǎo)體所啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)等的支持。

論文鏈接:https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0087260

課題組網(wǎng)站:https://www.x-mol.com/groups /ZhuGroup-semiCAS

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圖1.掃描透射電鏡(STEM)圖像及元素能量損失譜,從中可以清楚地看到FeTb是界面平整、組分均勻的非晶薄膜。

 

圖 2. (a) 單層膜中體自旋軌道矩示意圖; (b) 體自旋軌道矩效率隨厚度增加而增加,且在較大厚度時(shí)達(dá)到了300%;(c) 20 納米薄膜中自旋軌道矩效率和有效旋磁比對(duì)Tb組分的強(qiáng)烈依賴(lài)關(guān)系。中間組分的反號(hào)行為表明該新型自旋軌道矩依賴(lài)于體系角動(dòng)量和磁矩的相對(duì)取向。

圖 3. 新型體自旋軌道矩驅(qū)動(dòng)巨大垂直磁各向異性和高矯頑力FeTb薄膜(Hk≈35kOe, Hc=1. 6kOe)實(shí)現(xiàn)低電流密度翻轉(zhuǎn)(~5MA/cm2)。

編輯:鹿定辭

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