APL: 本征自旋轨道力矩高效驱动磁性体Rashba材料磁矩翻转

2023-03-29 03:03

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自旋轨道力矩效应指的是电流经过具有强自旋轨道耦合效应的非磁性材料(NM)时，会产生非平衡自旋极化流，从而翻转相邻异质结构中铁磁(FM)层的磁矩方向。自旋轨道力矩可以调控磁隧道结、自旋场效应晶体管、自旋阀等的磁矩，有望被广泛应用在多种磁性及自旋电子学器件中。然而，通过NM/FM异质结构界面的自旋极化流可能会在界面产生散射，导致自旋回流、自旋记忆损失等现象发生。NM/FM异质结构界面产生的功耗可能限制未来基于自旋轨道力矩效应的器件发展。

图1 磁性体Rashba材料(MBR)消除界面损耗原理图

为了优化传统自旋轨道力矩机制下异质界面的损耗问题，中国科学院上海微系统与信息技术研究所李卫民研究员团队提出了一种同时具有较大自旋轨道耦合效应与铁磁性的单层材料：磁性体Rashba材料(MBR)。MBR可以通过体Rashba效应产生的自旋轨道力矩来翻转材料自身的磁矩，从而消除界面损耗，提高磁矩翻转效率。MBR材料的磁矩翻转效率可以比异质结构的磁矩翻转效率高出两个数量级以上。MBR材料的体Rashba效应来源于材料本身的体反演不对称性和强的自旋轨道耦合效应，其Rashba效应强度大于二维Rashba效应，可以产生更大的自旋轨道力矩；磁性来源于对体Rashba效应体系的元素掺杂。这种磁性体Rashba单层材料在低功耗自旋电子学器件应用中存在巨大的潜力。

图2. (a) VBTI的晶体结构. (b) VBTI的态密度.可以看到导带底主要为V的d电子态. (c-d) VBTI 在磁矩沿着x轴和y轴时候的能带结构。青色和蓝色分别为能带劈裂的两支自旋态E_k⁺ 和 E_k^-。

本文作者运用第一性原理计算，证明了体V_0.027Bi_0.973TeI(VBTI)为MBR材料（图2a）。BiTeI是一种典型的具有非中心对称空间群P3m1的n型三维巨Rashba效应材料。BiTeI的强自旋轨道耦合效应导致了导带底（CBM）处的Rashba自旋劈裂（图2c-d）。计算证明，V取代Bi进行掺杂，可以破坏时间反转对称性并产生磁性(图2b)。对于VBTI，其反铁磁有序E_AFM和铁磁有序E_FM之间的能量差，E_AFM–E_FM=0.42 meV/原子，证明了VBTI的磁性基态为铁磁性。结合第一性原理计算得到的其他材料参数，作者计算了VBTI的类场项自旋轨道力矩效率(H_fl/j_e)高达4.53×10^-4 mT/(A·cm^-2)，比磁性异质结构中通常观察到的H_fl/j_e高出两个数量级以上（图3）。将自旋轨道力矩效率的计算值带入宏自旋模拟，可以得到其临界电流翻转密度低于1.4×10⁸ A·cm^-2，并且能够在500 ps内得到磁矩翻转。用VBTI自身的自旋轨道力矩翻转VBTI的磁矩，比用异质重金属Pt翻转VBTI的磁矩临界电流翻转密度要小，也进一步证明了单层VBTI的翻转性能比异质结构的性能要优越。MBR材料是利用体Rashba效应来产生自旋轨道力矩，随着厚度的增加，虽然其需要翻转的磁矩更大，但是其对应的自旋轨道力矩也在增加，因此材料不必生长的非常薄。

图3. 类场自旋轨道力矩翻转效率图。Pt, Ta, Hf, Pd, 和拓扑绝缘体(TI)的翻转效率是提取的文献中异质结构的数据。GMA 是单层二维电子气材料GaMnAs. 最后一列的红色五角星是本文章中的VBTI材料.

该研究的主要亮点在于提出了一种新的单层MBR材料，可以消除异质界面，提高磁矩翻转效率。MBR材料可以通过在体Rashba材料中进行磁性掺杂得到。该类材料的优点有：（1）消除了异质界面的自旋散射，提高了磁矩翻转效率；（2）避免了异质结构中金属性铁磁层带来的电流分流效应，可以将所有的输入电流全部用来生成自旋极化流，参与到磁矩翻转的过程中去。（3）简化了器件结构与工艺条件，如果采用MBR材料生产磁性存储器的隧道结，其磁性自由层可以仅仅生长为一层具有一定厚度的MBR材料。

本研究提出了一种单层MBR材料，其类场项自旋轨道力矩效率(H_fl/j_e)高达4.53×10^-4 mT/(A·cm^-2)，比磁性异质结构中通常观察到的H_fl/j_e高出两个数量级以上。采用这种MBR单层材料制备自旋电子学器件，可以显著降低其磁矩翻转的功耗。

该研究成果近期以“Efficient magnetization reversal by self-generated spin orbit torque in magnetic bulk Rashba materials”为题发表在物理学领域权威期刊Applied Physics Letters上，并被选为Featured Article。中国科学院上海微系统与信息技术研究所李卫民研究员与上海科技大学杨雨梦研究员为共同通讯作者，中国科学院上海微系统与信息技术研究所李鑫博士后与上海科技大学付震宵为共同一作。本工作得到了国家重点研发计划（No. 2022YFB4401700）和国家自然科学基金（No. 62074099）的支持。

论文链接：

https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0134755

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