综述：铁磁隧穿结中的自旋极化隧穿是一种引人注目的现象，在理论和实验研究方面都引起了广泛关注。磁隧穿结中的隧穿电流取决于由薄绝缘势垒层分隔的两个铁磁电极磁化方向的相对取向。 铁磁隧穿结由两层铁磁层组成，中间由一层薄绝缘势垒层隔开。当两个铁磁层的磁矩平行排列时，其隧穿电阻低于反平行排列时的电阻。这一现象被称为隧穿磁阻。 铁磁金属中能量带的交换分裂导致了费米能级处的自旋极化。在铁磁金属中，自旋向上电子的态密度与自旋向下电子的态密度不同。这种自旋极化可以转移到隧穿电流中，从而产生自旋极化隧穿。 铁磁隧穿结在磁读取头、磁传感器和磁存储器中具有潜在应用。特别是，铁磁隧穿结的高灵敏度和快速响应特性使其适用于高速磁存储器应用。 材料科学和薄膜技术的最新进展使得制造具有大隧穿磁阻比的高质量铁磁隧穿结成为可能。将铁磁隧穿结应用于高速磁存储器的研究是一个活跃的研究领域，对未来应用具有重大潜力

《Progress in Natural Science-Materials International》：Ferrimagnetic tunnel junctions for high-speed magnetic memories

　　

摘要

磁阻随机存取存储器（MRAM）技术在大规模制造方面取得了显著成功。然而，当代MRAM通常依赖于铁磁（FM）自由层，面临着固有的物理限制，包括由铁磁共振频率决定的基本写入速度瓶颈，以及由于大饱和磁化强度而产生的有害杂散场。亚铁磁材料具有超快自旋动力学和可调磁矩的特点，为解决这些挑战提供了有前途的解决方案。本文系统讨论了亚铁磁隧道结（FiMTJs）在高速存储应用方面的最新进展，重点聚焦于稀土-过渡金属（RE–TM）亚铁磁体和新兴的锰基Heusler亚铁磁体。我们全面分析了这些材料在全光开关（AOS）、自旋转移力矩（STT）和自旋轨道力矩（SOT）驱动开关机制方面的独特优势。此外，我们强调迫切需要开发稳健的集成方案，以确保RE–TM亚铁磁体与工业MTJ及互补金属氧化物半导体（CMOS）制造工艺的兼容性——这一兼容性路径已通过锰基Heusler亚铁磁体的化学模板层工程得到证实。弥合这一兼容性差距对于下一代磁存储中实际部署亚铁磁体至关重要。

引言

磁阻随机存取存储器（MRAM）已成功从基础性的概念验证演示过渡到大规模制造，实现了稳健的阵列级和晶圆级集成[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]]。当代MRAM技术依赖于通过自旋转移力矩（STT）[[8], [9], [10], [11]]或自旋轨道力矩（SOT）[[12], [13], [14], [15]]进行开关的铁磁（FM）自由层，并通过隧道磁阻效应（TMR）[16,17]进行读取，但这些铁磁系统面临着固有的物理限制。虽然其有限的净磁化强度能够实现稳健的信号读取，但它不可避免地引入了有害的杂散场和显著的偶极串扰，这对高密度器件集成构成了严峻挑战。此外，传统磁器件的开关速度从根本上受到铁磁共振频率的瓶颈制约，通常在1-10 GHz量级，这对当前自旋电子技术的操作带宽施加了物理限制。此外，解决铁磁体有限的开关效率仍然是一个紧迫的挑战，因为它直接且深刻地影响能耗预算、器件可靠性和高密度缩放的可行性。

在这一根本性限制的背景之下，探索超越传统铁磁体性能瓶颈的替代材料平台具有迫切的动机。反铁磁体（AFMs）具有本征的零净磁化强度和超高频动力学[[18], [19], [20]]，但通过TMR效应进行电学读取面临着难以克服的挑战[18]。亚铁磁体（FiMs）通过桥接铁磁和反铁磁材料各自的优越特性，为传统铁磁体提供了有前途的替代方案。通过两种不相等的、反铁磁耦合的亚晶格的相互作用，这些系统的自旋动力学显著快于传统铁磁体，其性能增益在角动量补偿点达到最大化。此外，其固有的净磁矩允许通过TMR进行稳健的电学检测，有效地协调了高速开关的需求与实际器件集成的必要性[[21], [22], [23], [24]]。

这些优点已通过亚铁磁系统的超快操控方面的最新突破得到进一步证实，如图1所示。具体而言，稀土-过渡金属（RE–TM）亚铁磁体展现了远超传统铁磁体的动态能力，特别是在飞秒激光诱导的全光开关（AOS）[[25], [26], [27], [28]]和节能的皮秒级自旋轨道力矩操控[29,30]领域。值得注意的是，AOS实现磁隧道结（MTJ）的实验验证为一种混合架构提供了关键验证，该架构将光学写入的超快速度与电学读取的稳健性融为一体[[31], [32], [33], [34]]。与此相辅相成的是，锰基亚铁磁Heusler合金作为一种有前途的替代材料脱颖而出，在MTJ中作为自由层展现了优异的互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容性，并显著降低了纳秒级STT-MTJ器件的开关电流密度[35]。尽管取得了这些突破，将亚铁磁材料从实验室规模的概念验证过渡到用于集成磁存储的高速亚铁磁隧道结（FiMTJs），仍然是一项重大挑战。鉴于这些关键进展和剩余障碍，本综述旨在全面概述当前进展，讨论亚铁磁开关的底层物理机制，并评估FiMTJs在高速、节能自旋电子存储应用方面的技术挑战。

章节摘要

适用于MTJ集成的亚铁磁候选材料

亚铁磁材料涵盖了多种多样的化合物，包括非晶态稀土-过渡金属合金、晶体Heusler合金、逆尖晶石铁氧体和双钙钛矿（关于全面的分类，请读者参阅参考文献[36]）。在本综述中，我们将范围限定于两个已作为MTJ集成候选材料的代表性系统，也是高速磁存储的领先者：稀土-过渡金属（RE–TM）合金和锰基Heusler合金。

亚铁磁序的超快开关

亚铁磁材料成为下一代磁存储的基石，主要归功于其非凡的开关动力学和操作效率。在RE–TM合金中，独特的亚晶格间交换相互作用促进了确定性全光开关的实现，由飞秒激光脉冲触发，该过程使得磁化翻转在通常对传统铁磁体无法实现的时间尺度上完成[26]。除了光学操控之外，亚铁磁体

亚铁磁隧道结

尽管亚铁磁材料凭借其优越的自旋动力学（由飞秒激光或纳秒到皮秒量级的电流脉冲激发）为下一代高速节能存储提供了令人信服的理论基础，但其技术潜力的实现取决于与MTJ的稳健兼容性。作为现代自旋电子学的基石，MTJ需要一个不仅具有卓越开关性能的自由层

挑战与展望

如上所述，RE–TM亚铁磁体和锰基Heusler亚铁磁体在超快数据写入方面各具独特优势，且它们集成到MTJ中已得到初步验证。然而，仅靠超快开关并不能确保实用性。隧道磁阻、热稳定性、写入错误、耐久性、器件缩放和工艺兼容性等因素必须同时评估。因此，表2对标了代表性的铁磁基和亚铁磁基MTJ方案[33,35,96,134,142,

CRediT作者贡献声明

李彩云：撰写 – 初稿。刘迪君：指导。朱道谦：撰写 – 审阅与编辑，指导。赵卫生：撰写 – 审阅与编辑，指导。

数据可用性

所有数据均可以根据合理请求从通讯作者处获取。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到中国国家重点研发计划（2022YFA1402604）、国家自然科学基金（T2394472、W2411060、62404013）、北京市新星计划（202604841341）和北京市自然科学基金（2262054）的经费支持。

李彩云|刘迪君|朱道谦|赵卫生