通過(guò)自旋軌道力矩（SOT）實(shí)現(xiàn)電流驅(qū)動(dòng)磁化翻轉(zhuǎn)的技術(shù)，憑借其響應(yīng)快、功耗低、穩(wěn)定性高等核心優(yōu)勢(shì)，已成為發(fā)展下一代非易失性存儲(chǔ)器、存內(nèi)計(jì)算單元及自旋邏輯器件的重要物理基礎(chǔ)?；谧孕壍懒匦?yīng)構(gòu)建的磁隨機(jī)存儲(chǔ)器（SOT-MRAM）被認(rèn)為具有突破馮·諾依曼架構(gòu)，重塑高性能存儲(chǔ)技術(shù)格局的潛力。在自旋軌道力矩器件中，電流經(jīng)由強(qiáng)自旋軌道耦合材料生成自旋流，對(duì)鄰近鐵磁層施加力矩并觸發(fā)磁化翻轉(zhuǎn)。其中自旋軌道力矩的大小直接決定了磁化翻轉(zhuǎn)的效率與可靠性，因此實(shí)現(xiàn)自旋軌道力矩大小的調(diào)控與增強(qiáng)對(duì)器件的操作速度、功耗及邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)起著重要作用。目前，基于多物理場(chǎng)耦合機(jī)制實(shí)現(xiàn)自旋軌道力矩的調(diào)控面臨調(diào)控范圍受限與驅(qū)動(dòng)電壓高的瓶頸，同時(shí)現(xiàn)有調(diào)控手段難以與現(xiàn)行硅基集成電路工藝兼容，進(jìn)一步制約了可調(diào)自旋軌道轉(zhuǎn)矩器件的性能功耗表現(xiàn)及其實(shí)用化、集成化發(fā)展。

針對(duì)上述科學(xué)問(wèn)題，西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，電子科學(xué)與工程學(xué)院劉明教授團(tuán)隊(duì)魯琦及合作者基于硅基鋯鈦酸鉛[Pb(Zr, Ti)O3,PZT]薄膜實(shí)現(xiàn)了NiFe/PtOx結(jié)構(gòu)自旋軌道轉(zhuǎn)矩器件的小電壓高效自旋調(diào)控。通過(guò)設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)在硅基壓電薄膜上施加電壓對(duì)NiFe/PtOx自旋軌道轉(zhuǎn)矩進(jìn)行原位調(diào)控，調(diào)控效果具有良好的穩(wěn)定性與可回復(fù)性。在30 V的小電壓下最高實(shí)現(xiàn)了NiFe/PtOx自旋軌道力矩450%的增強(qiáng)。

圖1. 集成化高性能自旋軌道力矩器件及其調(diào)控(a)可調(diào)自旋軌道力矩器件結(jié)構(gòu)示意圖(b) 外加電壓對(duì)PtOx自旋自旋軌道力矩效率的增強(qiáng)調(diào)控(c)磁隨機(jī)存儲(chǔ)原型器件設(shè)計(jì)(d)調(diào)控電壓對(duì)磁化翻轉(zhuǎn)速度與性能的提升。

基于壓電薄膜的器件設(shè)計(jì)在滿足硅基集成化的同時(shí)，相比塊體材料可在小電壓下驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生更高的電場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“小電壓”與“高調(diào)諧”的有效平衡。第一性原理計(jì)算表明電場(chǎng)誘導(dǎo)的應(yīng)力與離子遷移可顯著改變PtO費(fèi)米能級(jí)處的貝里曲率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)自旋-電荷轉(zhuǎn)化效率的提升與自旋軌道力矩的增強(qiáng)。結(jié)合電致應(yīng)力對(duì)磁各向異性的有效調(diào)控，原型器件可實(shí)現(xiàn)對(duì)磁化翻轉(zhuǎn)速度與功耗表現(xiàn)的顯著提升。

該研究結(jié)果以“一種硅基CMOS工藝兼容的高可調(diào)諧自旋軌道力矩器件”(A Widely Tunable Spin-Orbit Torque Device Through the Silicon Compatible CMOS Platform)為題，在國(guó)際著名期刊《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)上發(fā)表，西安交通大學(xué)為該論文的唯一署名單位。論文第一作者為精密微納制造技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、電子科學(xué)與工程學(xué)院助理教授魯琦，以及材料科學(xué)與工程學(xué)院助理教授劉福柱。劉明教授、彭斌教授和宗洪祥教授為論文的通訊作者。該工作得到精密微納制造技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，以及國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后基金特別資助等項(xiàng)目的支持。