超越室温范德华磁体器件中的多方向自旋轨道转矩磁化动力学

《Nano Letters》：Multidirectional Spin–Orbit Torque Magnetization Dynamics in beyond Room Temperature Van der Waals Magnet Devices

　　

具有室温铁磁性的范德华（vdW）磁体为节能自旋电子器件提供了引人注目的机遇，然而其磁化动力学尽管对高速存储技术至关重要，却仍基本未被探索。在此，研究人员利用自旋转矩铁磁共振（ST-FMR）和二次谐波霍尔测量，研究了室温vdW磁体(Co_0.15Fe_0.85)₅GeTe₂（CFGT）/Pt异质结中的自旋轨道转矩（SOT）现象。除了常规的面内自旋霍尔电导率3.68 × 10⁵ (?/2e) (Ω m)^?1，研究人员还识别出一个可观的面外分量?0.33 × 10⁵ (?/2e) (Ω m)^?1，该分量产生非常规的阻尼类转矩。密度泛函理论（DFT）和蒙特卡洛模拟表明，该转矩可能源于界面诱导的自旋重取向，这种重取向由CFGT/Pt界面处修改后的磁各向异性景观和强烈增强的Dzyaloshinskii–Moriya相互作用（DMI）引起。低有效磁化强度（0.321 T）、适中的吉尔伯特阻尼（0.027）以及高效的多方向转矩相结合，突显了vdW磁体作为下一代自旋电子器件有前景平台的潜力。

**论文解读文章**

**研究背景、问题与研究意义**
随着信息技术和通信技术的持续进步，对更小、更快、非易失且节能的自旋电子器件的需求日益增长。基于自旋转移转矩（STT）的自旋电子存储器已集成到微控制器中，用于自动驾驶、汽车、航天、游戏、人工智能和机器学习平台。近年来，芯片行业对自旋轨道转矩（SOT）非易失性存储器表现出兴趣，因为与同类器件相比，SOT具有更高的能效、更快的速度、更高的耐久性和保持性。然而，在实现更低能耗、无需磁场操作以及可调性等关键挑战方面仍存在障碍，这些对于在高层级存储器、逻辑内存储器以及人工智能和神经形态计算中的应用是必要的。二维（2D）范德华（vdW）磁体的出现为自旋电子器件工程开辟了新范式，因其具有超低维度、可调磁性质，并能实现节能且无场的磁化翻转机制。尽管室温vdW铁磁体已展现出稳健的磁化强度和各向异性控制能力，涵盖铁磁和反铁磁区域，以及奇异自旋织构和共存磁序，但系统性的磁化动力学实验研究，特别是SOT效率、磁化阻尼和电荷-自旋转换，仍然稀少，而这些对于实现快速节能的自旋电子技术至关重要。为此，研究人员开展了以下研究，探索室温vdW磁体CFGT/Pt异质结中的多方向SOT磁化动力学。该研究发表在《Nano Letters》。

**主要关键技术方法**
研究人员采用自旋转矩铁磁共振（ST-FMR）和二次谐波霍尔测量两种电学方法，系统表征了CFGT/Pt异质结的磁化动力学和SOT效率。ST-FMR测量在微条器件上进行，频率范围2–14 GHz，通过拟合共振场和线宽获得有效磁化强度和吉尔伯特阻尼常数。二次谐波霍尔测量在微加工霍尔条器件上进行，用于提取自旋轨道有效场并区分面内和面外转矩分量。此外，结合密度泛函理论（DFT）和蒙特卡洛模拟，从理论上解释了非常规转矩的起源。CFGT单晶由HqGraphene公司生长，通过机械剥离制备薄层，再沉积Pt形成异质结。所有测量均在室温下进行。

**研究结果**
**1. 磁化动力学参数提取**
通过ST-FMR测量，拟合Kittel方程得到CFGT/Pt异质结的有效磁化强度μ₀M_eff = 0.321 ± 0.014 T，并由线宽随频率变化提取吉尔伯特阻尼常数α = 0.027 ± 0.001。这些参数表明CFGT具有低有效磁化和适中阻尼，有利于高速磁化动力学应用。

**2. 传统SOT效率评估**
采用直流偏置依赖的ST-FMR测量，通过线宽随直流电流的变化斜率，估算出有效阻尼类SOT效率，并计算得到有效自旋霍尔电导率σ_SHC = 1.13 × 10⁶ (?/2e) (Ω m)^?1。该值反映了面内自旋极化方向（S_y）的转矩贡献。

**3. 非常规面外SOT分量的发现**
通过面内角度依赖的ST-FMR测量，研究人员发现传统的对称分量拟合公式无法准确描述反对称分量，因此引入额外的面外阻尼类转矩项（A_DL,Z sin(2Φ)），拟合效果显著改善。由此提取出面内阻尼类转矩效率θ_SH,Y = 0.147 ± 0.015和面外阻尼类转矩效率θ_SH,Z = ?0.013 ± 0.005，对应的自旋霍尔电导率分别为σ_SH,Y = 3.68 × 10⁵ (?/2e) (Ω m)^?1和σ_SH,Z = ?0.33 × 10⁵ (?/2e) (Ω m)^?1。后者意味着存在一个非常规的面外自旋极化分量。

**4. 二次谐波霍尔测量验证**
在微加工霍尔条器件上进行二次谐波霍尔测量，通过面内角度依赖的二次谐波信号提取有效自旋轨道场。拟合得到面内自旋霍尔角θ_SH,Y = 0.157 ± 0.002和面外自旋霍尔角θ_SH,Z = 0.010 ± 0.001，与ST-FMR结果一致，进一步证实了非常规面外阻尼类转矩的存在。

**5. 理论计算揭示机制**
DFT计算和蒙特卡洛模拟表明，CFGT与Pt的界面接触会引入强烈的Dzyaloshinskii–Moriya相互作用（DMI）并削弱磁各向异性能（MAE），导致磁易轴倾斜约16°。这种界面诱导的自旋重取向产生了非共线自旋织构，从而在传统自旋霍尔效应产生的面内自旋极化之外，额外产生一个面外自旋极化分量，解释了非常规阻尼类转矩的起源。控制实验排除了CFGT单层自转矩和Pt体材料贡献的可能性，确认该效应源于CFGT/Pt界面。

**总结与讨论**
研究人员在室温下利用vdW磁体CFGT与Pt的异质结观察到多方向磁化动力学，并获得了显著的SOT效率。ST-FMR和二次谐波霍尔测量均揭示出大的电荷-自旋转换和阻尼类SOT效率，同时发现一个非常规的面外自旋霍尔电导率，这与传统铁磁体/Pt异质结的行为截然不同。该非常规转矩分量表现为具有面外自旋极化的附加阻尼类转矩，其起源归因于强界面DMI和修改后的MAE景观导致的界面驱动自旋重取向效应。提取的磁化动力学参数——有效磁化强度0.321 T和吉尔伯特阻尼常数0.027——使CFGT成为自旋电子器件有竞争力的平台。这些关于vdW磁异质结中自旋动力学的发现表明，界面工程可能为实现功能增强的非易失性自旋电子器件开辟路径。

**研究结论**
总之，研究人员在室温下利用vdW磁体CFGT与Pt的异质结观察到多方向磁化动力学，并获得了显著的SOT效率。ST-FMR和二次谐波霍尔实验均揭示出大的电荷-自旋转换和阻尼类SOT效率，同时观察到非常规的面外自旋霍尔电导率，这一效应与传统的铁磁体/Pt异质结不同。该非常规转矩分量表现为具有面外自旋极化的附加阻尼类转矩，预计源于强界面DMI和修改后的MAE景观所引起的界面驱动自旋重取向效应。提取的磁化动力学参数——有效磁化强度0.321 T和吉尔伯特阻尼常数0.027——使CFGT成为自旋电子器件有竞争力的平台。这些关于vdW磁异质结中自旋动力学的发现表明，界面工程可能为实现功能增强的非易失性自旋电子器件开辟路径。