同時(shí)利用“電荷”、“自旋”和“軌道”三大自由度的自旋存算器件是超越摩爾信息技術(shù)的重要選項(xiàng)。垂直磁化自旋比特具有10納米以下尺寸保持良好熱穩(wěn)定性的潛在優(yōu)勢(shì)，但面臨如何實(shí)現(xiàn)高能效全電寫入的關(guān)鍵技術(shù)難題。傳統(tǒng)材料(如自旋霍爾效應(yīng)材料等)由于對(duì)稱性保護(hù)只能產(chǎn)生面內(nèi)橫向極化自旋，其角動(dòng)量無法翻轉(zhuǎn)垂直磁化比特。尋找垂直有效磁場(chǎng)和垂直極化自旋的有效產(chǎn)生方法成為近年來的科技前沿?zé)狳c(diǎn)。
 

　　中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所朱禮軍研究員課題組在2022年提出了利用器件構(gòu)型設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)垂直自旋器件全電寫入的新方案(Applied Physics Reviews?2022:?9, 041401；中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?02210803247.1)，分別利用“L”?構(gòu)型和“C”?構(gòu)型實(shí)驗(yàn)演示了巨大垂直各向異性Pt/FeTb器件的全電寫入，通過自旋扭矩鐵磁共振等手段，定量確定了其機(jī)制為非對(duì)稱器件構(gòu)型產(chǎn)生的垂直奧斯特磁場(chǎng)，打破了反演對(duì)稱性，實(shí)現(xiàn)了自旋比特的確定性翻轉(zhuǎn)。
 

　　近日，朱禮軍課題組發(fā)現(xiàn)：用Ta、Ir等取代非對(duì)稱構(gòu)型器件中的Pt作為自旋霍爾材料可以同時(shí)打破?xy和?xz鏡面對(duì)稱性，進(jìn)而在自旋霍爾材料中高效產(chǎn)生垂直極化自旋流，且其產(chǎn)生垂直自旋流的效率可與其產(chǎn)生面內(nèi)極化自旋流的效率相當(dāng)。基于該機(jī)制實(shí)驗(yàn)演示了垂直磁隨機(jī)存儲(chǔ)器(p-MRAM)的核心結(jié)構(gòu)——Ta/FeCoB異質(zhì)結(jié)的全電翻轉(zhuǎn)(圖1)，相較文獻(xiàn)中其他全電寫入方案總電流密度降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。該方法無需單晶外延結(jié)構(gòu)或任何厚度/組分梯度，具有普適、高效、高翻轉(zhuǎn)比例且兼容磁控濺射和CMOS大規(guī)模集成的明顯優(yōu)勢(shì)，為全面突破垂直自旋器件的全電寫入難題提供了新的解決方案。
 

　　該工作以“Efficient generation of out-of-plane polarized spin current in polycrystalline heavy metal devices with broken electric symmetries”為題發(fā)表在Advanced Materials(doi:10.1002/adma.202406552)，朱禮軍研究員為通訊作者，半導(dǎo)體所劉前標(biāo)助理研究員和博士生林鑫為共同第一作者，中國(guó)科學(xué)院物理研究所于國(guó)強(qiáng)研究員參與了本工作并提供了部分實(shí)驗(yàn)樣品。
 

　　相關(guān)工作得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目、北京市重點(diǎn)專題研究項(xiàng)目和中國(guó)科學(xué)院B類戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)等資助。
 

　　圖1. 垂直各向異性Ta/FeCoB器件的全電翻轉(zhuǎn)。(a)傳統(tǒng)對(duì)稱構(gòu)型中無法實(shí)現(xiàn)電流翻轉(zhuǎn)；(b)“C”構(gòu)型和(c)“L”構(gòu)型實(shí)現(xiàn)垂直極化自旋流驅(qū)動(dòng)的高比例高能效全電翻轉(zhuǎn)