通过精准调控界面粗糙度在β相W籽晶层上定制W插入型斯格明子SOT通道的斯格明子尺寸

《Advanced Electronic Materials》：Tailoring Magnetic Skyrmion Dimensions via Precise Interface Roughness Modulation in W-Inserted Skyrmion SOT Channel Grown on β-Phase W Seed Layer

为解决人工智能加速器内存对高带宽、低功耗的需求，并克服现有存储器在缩放、速度及耐久性方面的挑战，研究人员针对基于斯格明子(一种拓扑保护的磁结构)的自旋轨道转矩(SOT)磁随机存取存储器(MRAM)开展研究。他们通过精确调控β相W自旋轨道转矩(SOT)籽晶层表面粗糙度及W插入层厚度，实现了对斯格明子/氧化镁界面粗糙度的控制，进而成功调控了斯格明子的直径(0.62–0.96 μm)和密度(0.093–0.140 ea/μm2)。这项工作为通过界面工程定制斯格明子特性、开发下一代高性能非易失性存储器提供了新途径。

　　

在人工智能(AI)浪潮席卷全球的今天，AI加速器对内存提出了近乎苛刻的要求：既要拥有超高的带宽来处理海量数据，又要极致节能以满足移动和边缘计算的需求。目前，高带宽内存(HBM)和低功耗双倍数据速率5(LPDDR5)动态随机存取存储器(DRAM)是主流选择，但它们都面临着物理缩放极限和功耗墙的挑战。与此同时，一种基于电子自旋的非易失性存储器——磁随机存取存储器(MRAM)正展现出巨大潜力。其中，垂直自旋转移矩(p-STT) MRAM已初步商用，但其读写路径共享限制了耐用性；而垂直自旋轨道转矩(p-SOT) MRAM通过分离读写路径解决了这一问题，性能更优，但其三电极结构又带来了集成复杂性的新难题。

就在这“前有堵截，后有追兵”的关头，一种奇特的磁性拓扑结构——磁性斯格明子(magnetic skyrmion)走入了研究人员的视野。它像是纳米世界中的一颗“磁性漩涡”，其自旋方向从中心到边缘平滑地扭转一周。这种拓扑保护特性赋予了它极高的稳定性，同时，驱动和检测它所消耗的能量和电流密度远低于传统的MRAM技术。理论预测，基于斯格明子的MRAM可以实现惊人的20皮秒(ps)级开关速度和0.5飞焦每比特(fJ/bit)的超低能耗，性能指标全面超越现有技术，被视为AI加速器内存的“明日之星”。然而，要将斯格明子应用于实际的存储器，一个核心挑战是如何在器件中精确地控制其尺寸和密度，这直接关系到存储单元的缩放和性能。

为此，一篇发表在《Advanced Electronic Materials》上的研究提出了一种创新方案：设计一种带有钨(W)插入层的斯格明子SOT通道，并通过精准调制界面粗糙度来实现对斯格明子尺寸的“量体裁衣”。研究人员构想了一种新型的斯格明子基SOT MRAM单元，其垂直堆叠结构包括一个W SOT籽晶层、一个铁磁性的Co₂Fe₆B₂自由层、一个超薄的W插入层、一个MgO隧道势垒和一个Ta覆盖层。斯格明子由底层价变存储器(VCM)电极产生的电流脉冲“点燃”，并可以在SOT通道中被电压脉冲驱动，移向或移开顶部的磁性隧道结(p-MTJ)以实现数据的写入和读取。

为了将这一构想变为现实，研究人员运用了多种先进的材料制备与表征技术。他们使用超高真空多腔室簇团溅射系统在12英寸硅片上沉积各功能薄膜层。通过精确控制W籽晶层的溅射功率(20-200 W)和沉积时间，获得了具有特定表面粗糙度和结晶相的β相W层。利用原子力显微镜(AFM)定量表征表面粗糙度(R_a,surf,seed)，借助X射线衍射(XRD)和高分辨透射电子显微镜(x-HRTEM)分析薄膜的晶体结构。通过振动样品磁强计(VSM)测量关键的磁学参数，如饱和磁化强度(M_s)、各向异性场(H_k)和矫顽力(H_c)。最终，利用磁光克尔效应(MOKE)成像技术，在施加外部垂直磁场(H_z)的条件下，直接观察并测量了斯格明子的形成、直径和密度。

2.1 β相W SOT籽晶层表面形貌随溅射功率的调制

研究发现，W籽晶层的结晶相强烈依赖于其厚度。在5纳米(nm)厚度下，W呈现出具有A15晶体结构的亚稳β相，这种相因其巨大的自旋霍尔角而更适合SOT应用。提高溅射功率可以显著增强β相W的结晶质量，但同时也略微增大了其表面粗糙度(R_a,surf,seed)，从0.120纳米增加到0.138纳米。这表明更高的溅射功率通过提高沉积原子的动能，促进了更好的晶体有序度，但也导致了更粗糙的表面。

2.2 β相W SOT籽晶层表面粗糙度与PMA结构界面粗糙度的精确关联

研究进一步揭示了籽晶层表面粗糙度如何“遗传”到上层的器件结构中。在用于产生垂直磁各向异性(PMA)的标准堆叠(无W插入层)中，铁磁层Co₂Fe_{6B2与MgO势垒层之间的界面粗糙度(Ra,interf,PMA)直接由底层β相W籽晶层的Ra,surf,seed决定。当Ra,surf,seed从0.120 nm略微增加到0.122 nm时，由于MgO从混合的非晶/多晶结构转变为完全结晶的结构，Ra,interf,PMA反而从32.02大幅下降到14.69 (像素密度，任意单位)。此后，随着Ra,surf,seed继续增加，Ra,interf,PMA也线性增加。重要的是，更高的界面粗糙度会导致更差的PMA特性，即更低的Ms、Hk和有效各向异性能(Keff)。}

2.3 Co₂Fe₆B₂/MgO界面粗糙度对W插入型斯格明子SOT通道中垂直磁各向异性的影响

这是本研究的核心。研究人员在铁磁层和MgO势垒层之间插入了一个亚单层厚度的W层(0.100-0.142 nm)，形成了斯格明子SOT通道。研究发现，为了使通道的矫顽力(H_c)趋近于零奥斯特(Oe)——这是形成条纹磁畴乃至斯格明子的先决条件——所需的W插入层厚度(t_W,insert)与界面粗糙度(R_a,interf,sky)成反比。也就是说，界面越粗糙，所需插入的W层就越薄。例如，当R_a,interf,sky为18.13时，需要0.134 nm的W层才能使H_c为零；而当R_a,interf,sky增加到33.73时，仅需0.127 nm的W层即可。同时，R_a,interf,sky本身又由底层W籽晶层的R_a,surf,seed决定，两者呈正相关。在H_c为零的条件下，更高的R_a,interf,sky导致了更低的M_s、H_k和K_eff，进而通过理论公式计算出更窄的条纹磁畴宽度(λ₀)。

2.4 Co₂Fe₆B₂/MgO界面粗糙度对W插入型斯格明子SOT通道中斯格明子直径和密度的影响

最终的实验观测完美验证了上述关联的链条。通过MOKE成像，研究人员在施加外部垂直磁场后，成功在SOT通道中观察到了斯格明子。关键发现是：更高的界面粗糙度(R_a,interf,sky)导致了更小的斯格明子直径和更高的斯格明子密度。具体来说，当R_a,interf,sky从18.13增加到33.73，斯格明子的平均直径从0.96微米(μm)减小到0.62 μm，而密度则从0.093 ea/μm²增加到0.140 ea/μm²。实验测量的条纹域宽度也与理论模拟值高度吻合，证实了整个物理模型的可靠性。

本研究成功演示了通过一种新的材料（W插入层）和与之相关的精密界面粗糙度调制，来定制斯格明子SOT通道中斯格明子尺寸与密度的可行性。研究建立了一个清晰的因果关系链：通过调节β相W SOT籽晶层的溅射功率，可以控制其表面粗糙度；该粗糙度直接决定了上层铁磁/绝缘体界面的粗糙度；而该界面粗糙度又与插入层厚度协同作用，决定了通道的垂直磁各向异性；最终，磁各向异性直接控制了形成的斯格明子的直径和密度。

这项工作的意义重大。首先，它为实现基于斯格明子的SOT MRAM提供了一条切实可行的材料与工艺路径。通过精确的界面工程，可以“按需”调整斯格明子的特性，以满足不同存储密度和性能的需求。其次，研究揭示了在纳米尺度下，界面微观形貌对拓扑磁结构的产生和调控具有决定性影响，这为后续研究其他插入材料（如Pt、Ti等）和磁体/重金属体系提供了重要的理论基础和方法学借鉴。尽管目前实验中观测到的斯格明子尺寸在微米量级，但根据本研究揭示的物理机制——通过降低磁各向异性可以获得更小的斯格明子，结合其他文献中已报道的纳米级斯格明子结果，预示着将尺寸缩小到实用化的数十纳米乃至更小是可能的。此外，研究也制备了基于该通道的顶部自由层MTJ器件，获得了111.8%的隧道磁阻(TMR)比，证明了其用于传感读出的潜力。当然，面向实际应用，仍需在更小尺寸、与CMOS工艺集成、以及解决斯格明子霍尔效应等方面开展进一步研究。总之，这项工作标志着我们在驾驭这种神奇的“磁性漩涡”，并将其转化为下一代颠覆性存储技术的道路上，迈出了关键而坚实的一步。