【材料】新型巨自旋霍尔效应金属研究取得重要进展学术资讯

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电子具有电荷和自旋两种内禀属性。19世纪以来，人类通过对电子电荷特性的调控发展了微电子学和集成电路技术，实现了第三次科技革命——信息技术革命。随着现代科学技术的飞速发展，尤其近年来超级计算、人工智能、大数据等为代表的诸多技术的发展，人类对大容量快速信息存储和处理产生了空前的需求。随着不断小型化和不断提高集成密度，目前基于电子电荷特性的主流信息存储芯片技术（DRAM和SRAM）因其高能耗和尺寸限制效应走向微电子学极限，无法满足未来信息存储需要。基于巨自旋霍尔效应（Giant spin Hall effect）材料的磁随机存储器（MRAM）技术被认为是极具市场前景的下一代超高速、超高密度、超低功耗、无限可读写的信息存储技术。这种新型MRAM技术的关键在于研发出低电阻率、高稳定性、兼容FeCoB-MgO磁隧道结和现代CMOS半导体集成工艺的巨自旋霍尔效应金属。

最近，美国康奈尔大学的朱礼军博士与其合作导师Robert A. Buhrman教授和Daniel C. Ralph教授合作，系统报道了贵金属合金Pd-Pt中的巨自旋霍尔效应，在Pd-Pt/FeCoB体系实现了高达26%的自旋扭矩效率，自旋霍尔角高达60%，并揭示了其主要物理起源是能带的拓扑性质（贝里相位）。Pd-Pt合金同时具有低电阻率（~57 μΩ•cm）、高热稳定性、抗氧化和化学腐蚀等优点，同时与FeCoB-MgO磁隧道结和现代CMOS半导体集成工艺完美兼容，因而是MRAM自旋霍尔材料的理想选择。如图所示，与其他自旋霍尔金属和拓扑绝缘体相比，基于Pd-Pt的MRAM器件具有最低的功耗。从能效角度看，Pd-Pt优于朱博士之前报道的Au-Pt合金（Phys. Rev. Lett., 2019, 122, 077201和Phys. Rev. Appl., 2018, 10, 031001）；相对于近期报道的拓扑绝缘体BixSe1-x（Nat. Mater., 2018, DOI: 0.1038/s41563-018-0136-z）能耗更是可以降低二十分之一以上。

图1. (a) 基于自旋霍尔金属的MRAM量子比特；(b) 自旋霍尔效应示意图；(c) 功耗比较

此外，朱博士与德克萨斯大学奥斯汀分校的Xiaoqin Li教授合作，通过布里渊光散射实验证明在Pd-Pt/FeCoB界面存在很强且可大范围调控的DMI（Dzyaloshinskii-Moriya interaction）相互作用。DMI相互作用有助于MRAM超高速信息的写入。这一成果近期发表在Advanced Functional Materials 上，文章的第一作者和通讯作者为朱礼军博士。

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