【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】單向自旋霍爾磁電阻效應(yīng)(USMR)的反對(duì)稱性對(duì)于研發(fā)磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM)具有重要意義。然而，傳統(tǒng)體系在室溫下的USMR效應(yīng)較弱，導(dǎo)致信噪比低，限制了其實(shí)際應(yīng)用的可靠性和有效性，因此亟需突破這一挑戰(zhàn)。
 

　　近日，蘭州大學(xué)物理學(xué)院薛德勝教授和席力教授課題組在FeNi/Pt/Bi2Se3異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)了室溫下USMR的顯著增強(qiáng)，并基于此開發(fā)了高性能的USMR-MRAM器件。研究成果以“Large unidirectional spin Hall magnetoresistance in FeNi/Pt/Bi2Se3 trilayers by Pt interfacial engineering”為題發(fā)表于《自然通訊》。
 

　　通過系統(tǒng)評(píng)估不同Pt厚度下的自旋軌道轉(zhuǎn)矩(SOT)效率、自旋霍爾磁電阻和USMR比率，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Pt厚度約為1.5納米時(shí)，室溫下的USMR比率達(dá)到最優(yōu)，較之前報(bào)道的值提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到了30.6 ppm/MA/cm²。這一顯著增強(qiáng)的USMR效應(yīng)得益于Pt的引入，它不僅保留了Bi2Se3的拓?fù)浔砻鎽B(tài)，還產(chǎn)生了額外的Rashba表面態(tài)，同時(shí)增強(qiáng)了電子-磁子散射。這些發(fā)現(xiàn)得到了第一性原理計(jì)算和布里淵光散射實(shí)驗(yàn)的支持。
 

　　圖1：(a)插入Pt層后拓?fù)浔砻鎽B(tài)和Rashba表面態(tài)的示意圖，(b) 展示了利用脈沖電流產(chǎn)生的y方向極化的自旋累積σ以及隨后產(chǎn)生的自旋軌道力矩(左圖)使MRAM器件的磁矩M沿y方向的寫入過程，以及通過施加交流電檢測(cè)二次諧波電壓
 

的讀取過程(右圖)，(c) 不同體系中室溫下USMR效應(yīng)的比較。
 

　　利用顯著的USMR效應(yīng)，作者成功研制出一款雙端口MRAM器件，該器件展現(xiàn)出低能耗、納秒級(jí)快速寫入以及高信噪比的優(yōu)異讀取特性。尤為突出的是，USMR-MRAM器件在高達(dá)70°C的溫度下仍能維持卓越性能，彰顯了其在廣泛環(huán)境條件下的高度可靠性和應(yīng)用潛力。高質(zhì)量Bi?Se?拓?fù)浣^緣體薄膜的磁控濺射制備方法和雙端口設(shè)計(jì)，確保了與現(xiàn)有大規(guī)模三端口SOT-MRAM生產(chǎn)工藝的兼容性和優(yōu)越性。
 

　　蘭州大學(xué)物理學(xué)院薛德勝教授和席力教授為該論文的通訊作者，2023級(jí)博士生張其為該論文的第一作者。論文合作者包括蘭州大學(xué)陶琨副教授、賈成龍教授、徐國福博士生、柴國志教授、崔寶山青年研究員、左亞路副教授和楊德政教授。該研究工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目、”111”計(jì)劃和甘肅省自然科學(xué)基金的資助。