中國(guó)科學(xué)院微電子所在半導(dǎo)體器件物理領(lǐng)域獲進(jìn)展

傳統(tǒng)的自旋信息器件主要基于對(duì)鐵磁材料中磁矩的精確操控與探測(cè)，但由于雜散場(chǎng)、較小的磁各向異性場(chǎng)等本征缺陷的存在，使得鐵磁自旋信息器件面臨諸多挑戰(zhàn)。具有零凈磁矩的反鐵磁材料具有超快的自旋動(dòng)力學(xué)特征、極小的雜散場(chǎng)和較強(qiáng)的抗外場(chǎng)干擾能力，在超高密度信息存儲(chǔ)和超高速度信息處理方面具有巨大的應(yīng)用潛力，被認(rèn)為是下一代自旋信息器件非常重要的候選載體材料。

拓?fù)浞磋F磁材料(如典型代表Mn3Sn)集合了常規(guī)反鐵磁體中零雜散場(chǎng)和超快自旋動(dòng)力學(xué)特征、以及拓?fù)洳牧现蟹瞧接雇負(fù)淠軒дT導(dǎo)的大磁輸運(yùn)特性等優(yōu)勢(shì)，為反鐵磁自旋信息器件的實(shí)際應(yīng)用提供了非常可行的解決方案。其中，如何利用全電學(xué)方法有效操控、探測(cè)反鐵磁的磁化狀態(tài)，以及設(shè)計(jì)并制備基于反鐵磁材料的新型拓?fù)渥孕Y(jié)構(gòu)是其在信息存儲(chǔ)或自旋邏輯器件應(yīng)用中亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

最近，半導(dǎo)體所半導(dǎo)體超晶格國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的王開(kāi)友課題組與南方科技大學(xué)盧海舟教授合作，在無(wú)重金屬電流注入的條件下，利用Mn3Sn自身非平衡局域自旋積累實(shí)現(xiàn)了非共線反鐵磁外爾半金屬的無(wú)外場(chǎng)磁化翻轉(zhuǎn)，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了全電控反鐵磁多態(tài)翻轉(zhuǎn)(如圖1所示)。

通過(guò)與鐵磁/重金屬異質(zhì)結(jié)、共線反鐵磁/重金屬異質(zhì)結(jié)的無(wú)外場(chǎng)翻轉(zhuǎn)中讀寫(xiě)效率比較發(fā)現(xiàn)，Mn3Sn具有更高的讀寫(xiě)效率(反?；魻?a target="_blank">電阻率/臨界翻轉(zhuǎn)電流密度)，證明Mn3Sn是一種高效且穩(wěn)定性高的反鐵磁材料(如圖2所示)。最后，與Mn3Sn異質(zhì)結(jié)薄膜相比較，理論和實(shí)驗(yàn)表明純Mn3Sn具有最大的對(duì)稱性破缺，驗(yàn)證了Mn3Sn全電控磁化翻轉(zhuǎn)的物理來(lái)源。

該工作解決了具有大讀出信號(hào)的反鐵磁材料難以利用全電學(xué)方法調(diào)控的難題，為設(shè)計(jì)和研制全電控反鐵磁新功能器件和芯片的發(fā)展提供了可行的方案。

圖1 Mn3Sn展現(xiàn)出巨大的反?；魻栃?yīng)，基于非平衡自旋流積累實(shí)現(xiàn)了純Mn3Sn磁化翻轉(zhuǎn)，在此基礎(chǔ)上演示了二態(tài)翻轉(zhuǎn)和多態(tài)翻轉(zhuǎn)。

圖2 非共線反鐵磁Mn3Sn無(wú)外場(chǎng)翻轉(zhuǎn)讀寫(xiě)效率與其他有序磁性材料/重金屬異質(zhì)結(jié)無(wú)外場(chǎng)翻轉(zhuǎn)的比較。結(jié)果表明純Mn3Sn全電控磁化翻轉(zhuǎn)的效率更高。 該工作以“All-electrical switching of a topological non-collinear antiferromagnet at room temperature”為題發(fā)表在National Science Review 10, nwac154(2023)(DOI: 10.1093/nsr/nwac154)。半導(dǎo)體所王開(kāi)友研究員和南方科大盧海舟教授為共同通訊作者，半導(dǎo)體所博士后鄧永城、劉雄華副研究員和南方科大的博士生陳毅遠(yuǎn)、杜宗正副教授為共同第一作者。 為進(jìn)一步探索基于非共線反鐵磁Mn3Sn薄膜的新型拓?fù)渥孕棙?gòu)，王開(kāi)友課題組與半導(dǎo)體所超晶格室的常凱院士課題組和中科院合肥強(qiáng)磁場(chǎng)中心的陸輕鈾教授課題組合作，在Mn3Sn/Pt異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，通過(guò)調(diào)節(jié)界面Dzyaloshinskii–Moriya相互作用的大小，首次在室溫下實(shí)現(xiàn)了Mn3Sn自旋織構(gòu)從共面倒三角型到Bloch型斯格明子(skyrmions)的演化。 此外，在Mn3Sn/Pt系統(tǒng)中，團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了溫度誘導(dǎo)的斯格明子-反鐵磁類(lèi)半子（meron-like）自旋織構(gòu)的非常規(guī)轉(zhuǎn)變(轉(zhuǎn)變溫度大約220 K)（如圖3所示）。理論計(jì)算表明，這種拓?fù)渥孕棙?gòu)的轉(zhuǎn)變與Mn3Sn晶胞內(nèi)籠目(kagome)亞結(jié)構(gòu)之間反鐵磁交換相互作用的溫度依賴性有關(guān)。 該工作不僅證明了非共線反鐵磁異質(zhì)結(jié)系統(tǒng)中豐富多樣的拓?fù)渥孕棙?gòu)，而且為利用應(yīng)變或插層等手段調(diào)節(jié)層間相互作用來(lái)構(gòu)筑新型拓?fù)渥孕棙?gòu)提供了可行的方案。

圖3 設(shè)計(jì)制備的非共線反鐵磁/重金屬（Mn3Sn/Pt）異質(zhì)結(jié)中，利用界面DMI效應(yīng)誘導(dǎo)出室溫斯格明子以及220 K附近發(fā)現(xiàn)的斯格明子-反鐵磁類(lèi)半子的轉(zhuǎn)變。

該工作以“Topological spin textures in a non-collinear antiferromagnet system”為題發(fā)表在Advanced Materials 2211634(2023)(DOI：10.1002/adma.202211634)。半導(dǎo)體所王開(kāi)友研究員、中科院合肥強(qiáng)磁場(chǎng)中心陸輕鈾教授和半導(dǎo)體所劉雄華副研究員為共同通訊作者，半導(dǎo)體所劉雄華副研究員，張東副研究員和中科院合肥強(qiáng)磁場(chǎng)中心的馮啟元副研究員為共同第一作者。該工作得到了常凱院士在理論上的悉心指導(dǎo)。

以上工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院先導(dǎo)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金、以及北京市自然科學(xué)基金重點(diǎn)研究專題等基金的支持。

審核編輯 ：李倩