高效自旋轨道矩源自Sb2Te3拓扑表面态的超大电荷-自旋转换效率研究

本文系统研究了基于金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长的Sb2Te3拓扑绝缘体（TI）薄膜在自旋轨道转矩（SOT）器件中的应用潜力。通过谐波霍尔测量和磁阻效应分析，发现其自旋霍尔角（θSH）高达62.8±3.2，自旋霍尔电导率（σSH）达3.6×106 ?/2e S/m，远超传统重金属材料。研究进一步通过逆Edelstein效应长度（λIEE）、自旋霍尔磁阻（SMR）和单向磁阻（UMR）等多重实验验证了其高效的电荷-自旋互转换（CSIC）性能，为拓扑绝缘体在低功耗自旋电子器件中的规模化集成提供了关键实验依据。

　　

1 引言

信息通信技术对现代生活的变革性影响凸显了提升电子设备能效的迫切需求。拓扑绝缘体（Topological Insulators, TI）因其独特的电子特性成为解决这一问题的潜在方案：其体相为绝缘态，而表面存在受拓扑保护的高度导电表面态（Topological Surface States, TSS）。这些表面态具有线性狄拉克能散和强自旋-动量锁定特性，结合无耗散电子传输特性，使TI成为未来自旋电子器件的理想候选材料。

第二代三维TI材料（如Bi₂Se₃、Bi₂Te₃和Sb₂Te₃等锑硫族化合物）因窄带隙和显著TSS特性受到广泛关注。其中Sb₂Te₃通过金属有机化学气相沉积（Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD）技术在4英寸硅片上实现了外延级质量薄膜的制备，其拓扑特性已得到实验验证。为推进其实际应用，需在微型化器件中评估电荷电流注入下的电荷-自旋互转换（Charge-Spin Interconversion, CSIC）效率。

2 结果与讨论

Sb₂Te₃是一种具有菱面体晶体结构的范德瓦尔斯材料，属于R-3m空间群。X射线衍射（XRD）分析显示MOCVD生长的Sb₂Te₃薄膜具有高度结晶性，其（00?）晶面沿垂直方向择优取向。为明确Sb₂Te₃在自旋轨道转矩（Spin-Orbit Torque, SOT）生成中的作用，研究对比了Si/Sb₂Te₃(30)/Au(5)/Co(5)/Au(5)（样品S1）和Si/Au(5)/Co(5)/Au(5)（样品S2）两种异质结构（厚度单位为nm）。

通过霍尔棒器件进行谐波霍尔测量，量化了作用于钴磁化强度（M）的阻尼型（B_DL）和场型（B_FL）有效磁场。通过?扫描测量（?为M的方位角）并结合不同外场下的反常霍尔效应（Anomalous Hall Effect, AHE）和平面霍尔效应（Planar Hall Effect, PHE）响应，成功分离出两种转矩分量。实验数据显示，随着外场B_EXT增大，二次谐波电压V_2ω的响应形状显著变化，表明不同贡献间的竞争机制。

纯SOT相关阻尼型分量分析表明，样品S1呈现明显的线性趋势，而S2无此特性，证实Sb₂Te₃层是阻尼转矩的来源。通过分析B_DL与注入电流I_IN的线性关系，计算得出自旋霍尔角θ_SH=60±3.8。在4英寸硅片中心区域多个器件中测得θ_SH平均值为56.2±3.5，最高达62.8±3.2，表明具有良好的性能均匀性。

自旋霍尔电导率σ_SH计算值为(3.4±0.2)×10⁶ ?/2e S/m，平均值为(3.2±0.2)×10⁶ ?/2e S/m。与文献报道的TI体系相比，本文结果处于最高水平，较先前Sb₂Te₃研究高出三个数量级。这种差异源于硅衬底选择（Si(111)优于Si/SiO₂）和金中间层的使用（避免钽层引起的界面混合问题）。

通过Edelstein效应模型分析，得出逆Edelstein效应长度λ_IEE=0.48 nm，与自旋泵浦铁磁共振测量结果（0.28–0.61 nm）高度一致。进一步通过自旋霍尔磁阻（Spin-Hall Magnetoresistance, SMR）和单向磁阻（Unidirectional Magnetoresistance, UMR）测量验证了CSIC效率。S1器件的SMR相对变化达6.15%，较传统TI/铁磁体系高一个数量级；UMR测量显示明确信号，与热效应贡献成功分离。

3 结论

本研究通过系统分析Sb₂Te₃基异质结构的自旋轨道转矩和磁阻响应，揭示了其卓越的电荷-自旋转换效率。62.8±3.2的自旋霍尔角和3.6×10⁶ ?/2e S/m的自旋霍尔电导率位居拓扑绝缘体体系报道值的最高水平。通过λ_IEE估算、SMR和UMR测量等多重实验手段交叉验证了CSIC高效性。MOCVD技术制备的Sb₂Te₃薄膜在4英寸晶圆尺度上表现出优异均匀性，满足规模化芯片集成需求。这些发现强化了拓扑绝缘体作为下一代自旋电子技术核心材料的地位，为存储器存储和计算任务的实际应用奠定了坚实基础。