经过氧化改性的CuOx材料用于提升自旋-轨道扭矩效率

《ACS Applied Materials & Interfaces》：Oxidation-Tuned CuOx for Spin–Orbit Torque Efficiency Enhancement

氧化铜（CuOx）层通过反应溅射精确调控氧化程度，可有效增强CoFeB/Pt异质结的阻尼型自旋轨道扭矩（SOT）。实验表明，Q=4%、厚度3nm的CuOx层与4nm Pt层组合时，SOT效率达0.30，较Pt-only对照组提升76%。轨道电流在CuOx/Pt界面通过轨道-自旋转换产生扭矩，且Pt厚度4nm时效率最高。自然氧化Cu层效果较差（0.23），凸显反应溅射在材料工程和界面设计中的优势，为新型自旋电子器件提供 scalable 轨道扭矩源。

　　在现代电子技术的快速发展背景下，自旋轨道扭矩（Spin–Orbit Torque, SOT）作为实现磁化方向电控的关键机制，正成为磁性存储、自旋电子器件等领域的研究热点。SOT能够在无需外部磁场的情况下，通过电流诱导的自旋电流实现对磁性材料的操控，为高性能、低功耗、非易失性存储器如SOT-MRAM提供了新的技术路径。这种技术不仅提升了器件的响应速度和能效，也为人工智能加速器、神经形态计算系统等新兴应用提供了潜在的支持。然而，尽管SOT在理论和应用层面展现出巨大潜力，其实际性能仍受限于一些关键因素，如材料选择、界面工程以及电流传输效率等。

本研究的重点是通过引入氧化铜（CuO_x）层作为轨道电流源，以提升CoFeB/Pt异质结构中自旋轨道扭矩的效率。通过反应溅射技术，可以系统地调控CuO_x的氧化状态，从而优化其在轨道电流生成中的作用。研究发现，当CuO_x的氧化比例Q为4%，且CuO_x厚度为3 nm，Pt厚度为4 nm时，该结构的阻尼型SOT效率达到|ξ_DL| ≈ 0.30，较仅使用Pt的对照结构提升了约76%。这一结果表明，通过精确控制氧化过程，可以显著增强轨道电流对自旋轨道扭矩的贡献。

实验过程中，研究人员采用了谐波霍尔电压测量技术，以定量评估不同氧化条件下SOT的性能。这种方法通过对比正反电流方向下霍尔电阻的变化，提取出电流诱导的扭矩分量。研究结果表明，当Q增加至4%时，阻尼型SOT效率达到峰值，而当Q进一步增加时，效率则逐渐下降，最终与对照结构相近。这一非单调的变化趋势揭示了CuO_x层在提升扭矩性能方面的重要性，同时也表明氧化状态对轨道电流生成的显著影响。

此外，研究还发现，CuO_x层的厚度对SOT效率具有显著影响。当CuO_x厚度为3 nm时，效率达到最大值，而当厚度超过3 nm后，效率开始下降。这一现象可能与轨道角动量在较厚的CuO_x层中传输受限有关，或者与界面结构和化学成分的变化影响了轨道到自旋的转换效率。研究还指出，Pt层的厚度对SOT效率同样重要，当Pt厚度为4 nm时，扭矩效率达到最大值，表明这一厚度为实现高效轨道到自旋转换的最优选择。

研究团队还比较了自然氧化铜与反应溅射制备的CuO_x层的性能差异。自然氧化的铜样品在最佳氧化条件下表现出|ξ_DL| ≈ 0.23，相较于对照结构提升了约35%。然而，自然氧化方法由于缺乏可控性，导致样品的氧化状态和界面质量存在较大波动，从而限制了其性能的可重复性。相比之下，反应溅射方法能够精确控制CuO_x的化学组成和厚度，从而实现更稳定、更高效的轨道电流生成。

通过X射线光电子能谱（XPS）和电阻测量，研究团队进一步验证了CuO_x层的氧化状态对其电子结构和导电性能的影响。低氧化状态的CuO_x层主要由金属铜组成，而随着氧化比例的增加，CuO_x层逐渐转变为Cu₂O和CuO的混合物。在Q = 4%的条件下，CuO_x层表现出最佳的轨道角动量生成能力，从而显著提升了SOT效率。然而，当Q超过12%时，由于CuO层的绝缘特性增强，导致轨道电流的传输受到阻碍，从而降低了SOT效率。

研究还揭示了CuO_x层的厚度对其性能的影响。在3 nm的厚度下，轨道角动量能够有效传输至CuO_x/Pt界面，并通过轨道到自旋的转换机制，增强对CoFeB层的扭矩作用。然而，当厚度增加到3 nm以上时，轨道角动量的传输效率下降，导致SOT性能减弱。这表明，在当前的实验条件下，3 nm是实现最佳SOT效率的最优厚度。

通过对比不同氧化状态和厚度的样品，研究团队进一步确认了氧化控制在提升SOT性能中的关键作用。反应溅射方法不仅能够实现对CuO_x层的精确调控，还能够确保其与Pt层之间的良好界面接触，从而提高轨道到自旋的转换效率。相比之下，自然氧化方法虽然在工艺上更为简便，但其不可控的特性限制了样品性能的一致性。因此，研究强调，通过精确的氧化控制和界面工程，可以有效提升轨道电流的生成效率，为下一代自旋电子器件的设计和优化提供新的思路。

研究还指出，CuO_x层的氧化比例Q与SOT效率之间存在明显的相关性。当Q在4%左右时，SOT效率达到最大值，这表明该氧化比例下的CuO_x层在轨道角动量生成和传输方面表现最佳。然而，当Q低于4%时，由于CuO_x层的导电性较强，轨道角动量的传输能力有限，导致SOT效率较低。当Q高于4%时，随着CuO层的绝缘性增强，轨道电流的传输受到阻碍，从而降低了SOT效率。这一结果进一步表明，氧化控制对于提升轨道电流在自旋电子器件中的作用至关重要。

此外，研究还探讨了CuO_x层在不同厚度下的表现。在3 nm的厚度下，SOT效率达到峰值，表明这一厚度能够提供足够的轨道角动量生成空间，并确保其在CuO_x/Pt界面的有效转换。然而，当厚度增加时，轨道角动量的传输效率下降，这可能是由于轨道角动量在较厚的CuO_x层中无法有效耦合至Pt层，或者由于界面结构的变化影响了轨道到自旋的转换效率。因此，研究建议在设计自旋电子器件时，应选择适当的CuO_x层厚度，以实现最佳的轨道角动量传输和转换。

研究还表明，Pt层的厚度对SOT效率具有显著影响。当Pt厚度为4 nm时，SOT效率达到最大值，表明这一厚度能够提供足够的自旋传输路径，并确保轨道角动量的有效转换。然而，当Pt厚度超过4 nm时，自旋的弛豫效应增强，导致自旋角动量在传输过程中损失增加，从而降低了SOT效率。因此，研究强调，Pt层的厚度应控制在适当范围内，以确保轨道角动量的有效传输和转换。

总体而言，本研究通过引入CuO_x层作为轨道电流源，系统地优化了CoFeB/Pt异质结构中SOT的性能。反应溅射技术能够实现对CuO_x层的精确控制，从而确保其在轨道角动量生成和传输中的高效作用。相比之下，自然氧化方法虽然在工艺上更为简便，但其不可控的特性限制了样品性能的一致性。因此，研究强调，通过精确的氧化控制和界面工程，可以有效提升轨道电流在自旋电子器件中的作用，为下一代高性能自旋电子器件的设计和开发提供新的思路和方法。