77779193永利官网磁电子器件和系统团队在自旋电子学领域取得重要进展,接连在国际TOP期刊发表4篇有关自旋电子学新材料和新器件的高水平学术论文
近半年,我校77779193永利官网磁电子器件与系统团队以杭州电子科技大学为第一单位,在顶级学术期刊(Top期刊)接连3篇《Physical Review B》和1篇《Applied Physics Letters》论文。我校李文钧教授和周铁军教授为通讯作者,第一作者分别为77779193永利官网乔文老师和颜士明老师(共一)、金蒙豪老师和博士研究生吴必瑞(共一)、博士研究生樊浩东,以及邵子霁老师。
自旋电子学被认为是新一代最有前途的信息技术之一,小型化、多功能化、智能化、低功耗的电子器件一直是人们不懈追求的目标,利用电子的自旋作为信息载体的自旋电子器件具有数据处理速度快、电路集成度高、能耗低等优势,有望大幅提升存储器件性能。
自旋电子器件的发展方向之一即探索新型自旋电子学功能材料,团队成员利用氢化和高压方法结合第一性原理计算,分别设计出了新型二维铁磁材料单面氢化FeSe2[1]和新型半金属铁磁材料LaF5[2]。计算表明,单面(Janus型)氢化可诱导非共线反铁磁FeSe2相变为具有高居里温度(345 K)和高磁各向异性(2 meV)的强铁磁相。此外,单面氢化破坏了FeSe2的中心反演对称性,使得Janus型单面氢化FeSe2具有可受d电子轨道交换作用调控的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用。通过高压方法可在La−F二元体系中合成新型富氟镧化物LaF5,LaF5是半Heusler合金的二元衍生物,在14−100 GPa的压力范围内展现出了半金属铁磁性,具有5.7−6.9 eV的大自旋向上通道带隙和高居里温度(673−505 K)。这些理论计算结果为自旋电子学材料的研究提供了新的思路和方向,有望在新型自旋电子学材料的研发和应用方面产生重要的影响。
图1 (a-e)单面氢化FeSe2材料结构、高居里温度以及Dzyaloshinskii-Moriya相互作用调控示意图[1]。(f-j)半Heusler合金的二元衍生物LaF5材料结构和电子结构和磁学性质[2]。
利用自旋轨道矩(SOT)翻转垂直磁化的铁磁或反铁磁层的自旋电子器件被认为是“后摩尔时代”磁存储和逻辑计算的重要候选者。传统方式下,SOT驱动垂直磁矩翻转通常需要引入外磁场打破其反演对称性、严重影响了自旋电子存储器件的能效和可集成性。团队成员开展了电流驱动的无磁场翻转自旋存储器件研究,通过斜切衬底和楔形反铁磁层未补偿磁矩打破对称性,实现无磁场翻转。团队成员利用沉积在斜切Al2O3基底上的垂直磁化的Co/Ir/CoFeB人工反铁磁结构[3],以及Pt/Co/PtMn(楔形)三层薄膜结构来打破横向结构对称[4],提高了SOT翻转效率,并增强了阻尼类场(HDL),最终都实现了垂直磁矩的无磁场翻转,有望在下一代磁性存储器件中得到广泛应用。
图2. (a)Co/Ir/CoFeB器件结构[3],(b)Pt/Co/PtMn(楔形)薄膜结构[4],(c)无磁场翻转。
[1] Wen Qiao, Shiming Yan*, Yue Hu, Chengyang Zhao, Shiran Gao, Ru Bai, and Tiejun Zhou*, 2D ferromagnetism with strong magnetic interactions induced by Janus-type hydrogenation in FeSe2, Physical Review B 107, 184419 (2023)
[2]Ziji Shao, Changqiu Yu, Menghao Jin, Jiahong Wen, Haodong Fan, Bo Liu*, and Tiejun Zhou*, Emergence of diverse lanthanum fluorides under high pressure: From insulators to half-metals and superconductors, Physical Review B 108, 064411 (2023)
[3] Haodong Fan, Menghao Jin, Birui Wu, Mingzhang Wei, Jiale Wang, Ziji Shao, Changqiu Yu, Jiahong Wen, Hai Li, Wenjun Li*, and Tiejun Zhou*, Field-free switching and high spin–orbit torque efficiency in Co/Ir/CoFeB synthetic antiferromagnets deposited on miscut Al2O3 substrates, Applied Physics Letters 122, 262404 (2023)
[4]Birui Wu*, Menghao Jin*, Ziji Shao, Haodong Fan, Jiahong Wen, Hai Li, Changqiu Yu*, Bo Liu*, and Tiejun Zhou*, Shape anisotropy induced field-free switching and enhancement of damping like field in Pt/Co/PtMn heterostructures with a wedged ultrathin antiferromagnetic PtMn layer, Physical Review B 108, 054417 (2023)