Py/NiCu/PMN-PT异质结构中电荷自旋转换的电场调控

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Electric field control of charge-spin conversion in Py/NiCu/PMN-PT Heterostructures

　　摘要：通过电场动态调节自旋轨道力矩为开发高能效的自旋电子存储和逻辑设备提供了一条有前景的途径。在这项工作中，我们报告了利用电场诱导的压电应变在Py/NiCu/PMN-PT异质结构中连续调节电荷-自旋转换效率??的方法。实验验证了在NiCu的居里温度附近，??表现出显著的异常增强，这归因于自旋波动引起的偏斜散射的放大。此外，电场调节实验表明??的变化遵循一种特征性的“蝴蝶”行为，与基底的压电应变高度相关。控制实验表明，即使在8纳米厚的薄膜中，压电应变机制也占据了主导地位，超过了电荷效应的影响。这项工作为优化自旋电子材料的性能提供了新的实验见解。

引言：自旋电子学旨在利用电子自旋自由度进行信息存储和处理，其核心目标是开发低功耗、高速度、非易失性的新型微电子器件。作为第三代磁随机存取存储器（MRAM）的主要技术途径[1] [2]，基于自旋轨道力矩（SOT）[3]的MRAM利用通过自旋霍尔效应（SHE）[4] [5]或Rashba-Edelstein效应产生的纯自旋电流来切换磁矩。这种方法克服了传统STT-MRAM[6]中存在的共享读/写路径和高电流密度问题，使其成为实现下一代高性能存储的关键技术。长期以来，SOT-MRAM的研究主要集中在具有强固自旋轨道耦合（SOC）[7]的5d重金属材料（如Pt、Ta、W）上。然而，重金属的高成本和稀缺性限制了它们的大规模应用。最近，3d轻元素铁磁合金由于其丰富的物理特性和低成本而受到越来越多的关注。尽管3d金属的SOC相对较弱[8]，但Keller[9]报告称NiCu合金的巨自旋霍尔比接近于1，与Pt相当。除了内在材料特性外，自旋轨道耦合的强度还与外部电子散射机制密切相关[10]。特别是在磁相变附近，强烈的临界自旋波动会引入额外的散射途径，导致在居里温度附近电荷-自旋转换效率达到峰值[11] [12]。因此，我们研究了NiCu[9] [13]这种同时具有巨自旋霍尔角和明显磁相变的3d合金，以确定它是否也表现出类似的波动增强散射机制。除了材料探索之外，实现电荷-自旋转换效率??的主动动态控制是构建智能自旋电子设备的另一个重大挑战。传统的内部控制方法（如掺杂和界面工程）[14] [15] [16]虽然有效，但都是静态的、被动的调节方式，缺乏灵活性。相比之下，使用电场进行的外部主动控制具有低功耗和强局部作用等显著优势[17]。在铁磁体/重金属/铁电体（FM/HM/FE）多铁性异质结构中，电场可以通过压电应变效应（改变晶格和能带结构）[18]或电荷效应（调节界面载流子浓度）[19]来调节自旋输运特性。然而，在轻元素合金系统中，压电应变效应和电荷效应之间的相互作用，特别是在不同厚度尺度上对电荷-自旋转换的调节作用方面，需要进一步研究。基于这一背景，本研究构建了Fe20Ni80(Fe20Ni80 = Permalloy = Py)/Ni60Cu40/Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–Pb0.7Ti0.3O3（PMN-PT）多铁性异质结构，并利用自旋扭矩磁共振（ST-FMR）技术系统地揭示了Ni60Cu40合金中电荷-自旋转换效率的温度依赖性和电场调节机制。我们重点研究了Ni60Cu40在其居里温度附近自旋波动效应对偏斜散射的增强作用，并进一步分析了电场诱导的压电应变效应和电荷效应在不同Ni60Cu40层厚度下对电荷-自旋转换效率??的竞争关系。这项工作为基于轻元素合金设计可调、低功耗的自旋电子设备提供了物理基础。

实验：薄膜样品是在室温下使用直流磁控溅射法制备的。真空室的基压优于5.0 ×1?0?5 Pa。在SiO2基底上沉积了NiCu单层膜（厚度为20纳米），用于表征基本的电输运特性。图1(a)展示了基于NiCu/SiO2膜的异常霍尔器件的几何配置。对异质结构霍尔条形器件进行了AHE（异常霍尔效应）测量。

结果与讨论：NiCu合金的居里温度（??c）已经被广泛研究，发现其与Cu浓度具有接近线性的依赖关系，当Cu浓度超过57%时样品变得顺磁[18]。在这项工作中，通过异常霍尔效应（AHE）测量确定了样品的??c。尽管范德保罗四端方法[20]被广泛用于表征电输运特性，包括AHE[21] [22]，但我们采用了标准的霍尔条形几何结构。

结论：总之，我们通过ST-FMR测量证实，在NiCu合金的居里温度附近，临界自旋波动效应显著增强了偏斜散射，导致在特定临界点（20纳米样品为170 K）处电荷-自旋转换效率??出现异常峰值。在Py/NiCu/PMN-PT异质结构中，通过电场诱导的压电应变效应实现了对电荷-自旋转换效率??的有效调节。我们的研究揭示了这一现象。

作者贡献声明：邵思雨：撰写——原始草稿、方法论、研究、形式分析、数据整理；周一豪：撰写——审阅与编辑、可视化、验证；徐杰：可视化、验证、项目管理；刘傅：撰写——审阅与编辑、形式分析；蒋长军：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资金获取、形式分析、概念化。

利益冲突声明：作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的报告内容。

致谢：本工作得到了中国国家自然科学基金（项目编号52271179、12504134）和甘肃省自然科学基金（项目编号24YFGA006和25JRRA720）、中南大学高性能计算中心、111计划（项目编号B20063）以及中国物理化学学会青年科学基金博士后奖学金计划（项目编号GZC20252221）的支持。

邵思雨 | 周一豪 | 徐杰 | 刘傅 | 蒋长军
中国兰州大学物理科学与技术学院，兰州730000