界面原子不对称性诱导的z自旋以及增强的自旋-轨道扭矩，用于全电磁化操控

《Materials Today Physics》：Interfacial Atomic-asymmetry Induced z-spin and Enhanced Spin–Orbit Torque for All-Electrical Magnetization Manipulation

自旋轨道扭矩（SOT）场-free开关在β-W/CoFeB异质结构中通过Gd70Pt30原子层实现，厚度0.2-0.5nm时保持垂直磁各向异性（PMA）达3.5倍提升，SOT效率达84%。原子级计算揭示Pt原子对称性破缺诱导z-自旋极化，协同y-自旋增强的霍尔效应（σz/σy>20%）实现超低功耗（~10^7 A/cm2）场-free磁化反转。

　　

明章伟|子骥邵|新宇舒|英梅朱|世琪刘|梦浩金|嘉欣陈|梁刘|钟树峰|晓峰韩|浩东范|长秋余|嘉宏文|博刘|铁军周

杭州电子科技大学电子与信息工程学院，中国杭州310018

摘要

对高密度和低功耗磁随机存取存储器（MRAM）的需求不断增长，这推动了人们通过自旋轨道扭矩（SOT）实现全电控制垂直磁化的研究。尽管具有高密度潜力的垂直磁化W/CoFeB/MgO与后端生产线工艺兼容，但如何在无场条件下通过SOT实现开关操作，同时保持CMOS兼容性和晶圆级均匀性，仍然是一个挑战。本文通过在β-W和CoFeB之间引入原子级不对称的Gd_100-xPt_x层，展示了在β-W/CoFeB异质结构中具有增强SOT和垂直各向异性的稳健无场开关（FFS）效应。在x = 20–50的组成范围内观察到了FFS现象，其中x=30（Gd₇₀Pt₃₀）时的FFS效率达到84%。第一性原理随机结构搜索揭示了Gd₇₀Pt₃₀界面限制的Pm′相中的原子级不对称性，这种不对称性能够产生垂直于平面的自旋极化（z-自旋）并诱导FFS。厚度依赖性测量表明，有效垂直各向异性能量K_eff在0.3 nm Gd₇₀Pt₃₀时首次增加了约3.5倍，随后随着Gd₇₀Pt₃₀厚度的增加而减小，直到PMA消失（Gd₇₀Pt₃₀ ≥ 0.6 nm）。在0.2-0.5 nm的Gd₇₀Pt₃₀厚度范围内仍能观察到FFS现象，并且y-自旋霍尔电导率提高了85%，σ_z/σ_y比值超过了20%。自旋松弛分析表明，y-自旋组分遵循Dyakonov–Perel机制，这从自旋和动量松弛率之间的非传统比例关系中得到证实。显著增强的y-自旋与较大的z-自旋协同作用，从而实现了高SOT效率（约1×10⁷ A/cm²的开关电流密度）和改善的FFS效率（高达90%）。K_eff的提高、σ_y的增强以及较大的σ_z为高密度和低功耗SOT-MRAM应用提供了有希望的途径。

章节摘录

引言

电流诱导的无场开关（FFS）对于制造高密度、低功耗且适用于工业生产的自旋轨道扭矩磁随机存取存储器（SOT-MRAM）至关重要。然而，同时满足高垂直磁各向异性（PMA）、全电开关、低功耗开关以及与工业后端生产线（BEOL）工艺的兼容性要求极具挑战性。

薄膜沉积和器件制备

所有薄膜均采用磁控溅射系统在室温下沉积，基压优于8×10^-8托。CoFeB靶材的组分比例为40:40:20。在沉积Gd_100-xPt_x层时，使用了Gd和Pt靶材的共溅射工艺。在整个沉积过程中，基底支架保持旋转以确保薄膜均匀性。所有样品均在400°C下退火30分钟。霍尔条结构...

第一性原理计算

我们的第一性原理计算采用密度泛函理论（DFT），并使用了维也纳第一性原理模拟包（VASP）[63], [64], [65], [66]中实现的投影增强波（PAW）方法。交换相关泛函采用Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）广义梯度近似（GGA）[67], [68]。采用420 eV的平面波截止能量。布里渊区采用Γ中心的12×12×1 Monkhorst–Pack采样。

结果与讨论

我们制备了结构为β-W（4 nm）/Gd_100-xPt_x（0.3 nm）/CoFeB（1.2 nm）/MgO（1 nm）/Ta（3 nm）的多层膜，并将其加工成10 μm × 10 μm的霍尔条形状器件。先前研究中已经使用相同的沉积方法对β相中的钨进行了表征[73]。系统地改变了固定厚度为0.3 nm的Gd_100-xPt_x层的组成，以研究其对FFS的影响。如图1a所示...

结论

总结来说，我们报道了一种超薄RE-TM合金Gd_100-xPt_x（Pm′），它表现出与薄膜厚度和元素组成显著相关的非传统自旋轨道扭矩（SOT）效应。第一性原理计算表明，Gd_100-xPt_x的Pm′相是在β-W界面处能量最低的配置。由于Pt原子的存在导致了对称性破缺，从而产生了z-自旋组分。在β-W/CoFeB/MgO系统中，PMA在较宽的范围内得以保持...

作者贡献声明

博刘：监督、概念构思。铁军周：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源获取、项目管理、方法论、研究、资金筹集、正式分析、概念构思。英梅朱：方法论。世琪刘：方法论、资金筹集。嘉欣陈：方法论。梁刘：监督、资金筹集、概念构思。钟树峰：正式分析。晓峰韩：正式分析。浩东范：正式分析。梦浩金：正式分析。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性

作者声明，支持本研究发现的数据可在文章及其支持信息文件中找到。所有其他支持本研究结果的数据可向相应作者提出合理请求后获取。

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了浙江省“先锋”和“领头雁”研发计划（项目编号2022C01053）、国家自然科学基金（项目编号62293493、12327806、12474121）、浙江省自然科学基金（项目编号LQ21A050001、LQN26A040001）以及国家重点实验室自旋电子器件与技术开放基金（项目编号SPL-2501）和浙江省自然科学基金（青年项目）的支持。