基于二維材料的自旋-軌道矩研究進展*

何聰麗 許洪軍 湯建 王瀟 魏晉武 申世鵬陳慶強 邵啟明 于國強 張廣宇 王守國?

1) (北京師范大學新材料研究院, 北京 100875)

2) (中國科學院物理研究所, 北京 100190)

3) (香港科技大學電子與計算機工程系, 香港 999077)

1 引 言

隨著人工智能和物聯網的高速發展, 信息量呈爆炸式增長, 大數據時代來臨, 信息的存儲技術面臨著非常嚴峻的考驗和挑戰.磁性隨機存儲器(magnetic random access memory, MRAM)由于具有高存儲密度、高讀寫速度、超長耐久性及數據非易失性等優點, 被視為極具應用前景的新興存儲技術之一[1].第一代MRAM是通過電流產生的奧斯特磁場驅動磁矩翻轉進而實現數據寫入, 這種方式在器件功耗和微型化方面存在很大的挑戰.為了克服上述問題, 第二代MRAM利用自旋轉移矩(spintransfer torque, STT)效應實現數據寫入.雖然該方案提高了MRAM的性能, 但也引入了新的問題,即較大密度的臨界驅動電流容易將MRAM核心存儲單元磁性隧道結的勢壘層擊穿, 進而減小存儲器的使用壽命.為了解決這一難題, 人們積極探索基于自旋-軌道矩(spin-orbit torque, SOT)的數據寫入方式, 開發第三代SOT-MRAM.SOT-MRAM的數據寫入是通過自旋-軌道耦合(spin-orbit coupling, SOC)誘導產生的SOT效應實現的[2,3].在具有強SOC的非磁性材料中, 由于其體內自旋霍爾效應或非磁性薄膜/鐵磁薄膜界面的Rashba效應等, 電荷流能夠誘導產生垂直于電流方向的純自旋流并作用于近鄰的鐵磁(ferromagnetism, FM)層,進而產生SOT, 并驅動磁矩翻轉.不同于第二代STT-MRAM, SOT-MRAM核心單元具有三端結構, 讀寫路徑分開, 寫入電流只需要經過磁性隧道結底部電極而不穿過超薄氧化物絕緣勢壘層, 保護了勢壘層不被擊穿, 極大地延長了器件的壽命.此外, 利用SOT操控磁矩可以實現比STT方案更快地寫入速度及更低的功耗, 因此在低功耗、高速度非易失性存儲和邏輯等領域具有廣泛的應用前景.

近年來, 利用SOT驅動磁矩翻轉的相關研究備受關注[4-27], 并且研究內容不斷擴展到很多研究方向, 包括磁疇壁運動、磁斯格明子運動、自旋邏輯器件、反鐵磁磁矩操控、自旋神經形態器件及鐵磁共振等[28-47].目前, 相關研究中用于產生SOT的材料主要集中于重金屬, 如Pt, Ta, W等.通過開發新材料、發現新物理以提高SOT器件的各方面的性能是相關研究的重要目標.受層狀拓撲絕緣體(如Bi2Se3等)在SOT方面研究進展的影響, 基于二維材料的SOT器件研究逐漸引起了人們的關注[48-52].新興的二維晶體和拓撲材料由于具有眾多的優點, 如種類豐富、具有多樣化的晶體結構和對稱性、能夠克服晶格失配形成高質量的異質結、具有強自旋-軌道耦合、電導率可調等, 為自旋電子學研究提供了理想的物理研究平臺[52-57].例如, 二維過渡金屬硫族化物(transition-metal dichalcogenides, TMDs)材料WTe2具有低對稱性結構和強的SOC, 除了能夠產生傳統的自旋取向沿面內的自旋流外, 還可以產生自旋取向沿面外的自旋流, 進而誘導產生非傳統的SOT, 理論上可以在無外磁場輔助的條件下直接翻轉垂直磁矩[58].因此,探索二維材料異質結中的SOT、電流驅動磁矩翻轉及相關自旋電子器件有非常重要的意義.

本文首先總結了非磁性二維材料異質結中SOT效應研究的最新實驗進展; 然后介紹了磁性二維材料異質結中SOT的表征和驅動磁矩翻轉相關的工作; 最后, 簡單地討論一下未來將二維材料用于自旋電子器件所面臨的問題和挑戰, 并進行了總結和展望.

2 基于非磁性TMD材料的異質結中SOT及電流驅動磁矩翻轉

有關二維材料SOT的研究最早是從非磁性TMD材料開始的.TMD材料的化學式為MX2, 其中M是過渡金屬(如Mo, W, Ta, Pt, Nb等),X是硫族元素(如S, Se, Te等).這類材料家族包含了半導體材料(2H-MoS2, 2H-WSe2, WS2)和(半)金屬性材料(WTe2, 1T-TaTe2, 1T′-MoTe2, NbSe2,PtTe2和TaS2等)[59-69].早期關于非磁性TMD材料中SOT的研究集中于TMD/FM薄膜異質結的制備和SOT的表征, 其中的TMD材料主要選擇了結構對稱性相對較高的半導體材料, 如MoS2,WSe2, WS2等.少數原子層厚度的TMD材料通過機械剝離或化學氣相沉積(chemical vapor deposition, CVD); 鐵磁材料可以通過磁控濺射或電子束蒸發等方式獲得.器件中電流產生的SOT的分量與效率通?？梢酝ㄟ^自旋轉矩鐵磁共振(STFMR)、二次諧波霍爾等測量技術來表征.隨后, 人們很快將研究拓展到具有(半)金屬特性的TMD材料, 例如WTe2, TaTe2, MoTe2, WTe2, NbSe2,PtTe2等.在研究這些材料的過程中, 人們首先意識到結構對稱破缺對于SOT的重要性, 并發現了一種與對稱破缺相關的平面外的新型類阻尼SOT.除了重要的物理發現外, 人們還利用(半)金屬特性TMD材料中的強SOC和高導電性, 實現了電流高效驅動磁矩翻轉.此外, 人們也在開發大面積低維材料制備方法方面取得了重要的進展.表1概述了目前已報道的非磁性TMD薄膜的晶體結構、制備方法、TMD/FM異質結中SOT的表征方法以及實驗得到的TMD材料的自旋霍爾電導.其中σS,σA分別代表與面內類阻尼SOT、類場SOT相關的自旋霍爾電導;σB,σT分別代表與面外類阻尼SOT、面外類場SOT相關的自旋霍爾電導.SHH代表二次諧波霍爾測量方法, ST-FMR代表自旋轉矩鐵磁共振測量方法.與目前研究較多的傳統重金屬SOT材料相比(其類阻尼SOT效率通常在0.1—0.3之間), 非磁性TMD材料不僅展示了較大的SOT效率, 還展現出了一些獨特的優勢, 如產生新型類阻尼SOT、電場可調等特性, 有望為自旋電子器件引入許多特殊的性能.下文將針對不同材料中SOT的研究展開具體的介紹.

表1 已報道的實驗研究工作中TMD材料的晶體結構、制備方法、TMD/FM異質結中的SOT的表征方法以及自旋霍爾電導Table 1.Crystal structure, preparation method, method for SOT measurement of the TMD/FM heterostructure, and spin Hall conductance of TMD materials in the previous studies.

2.1 二維半導體材料

2H-MoS2是一種二維半導體材料, 因具有寬能隙和高遷移率等特性而備受關注.它具有六角晶格結構, 每個Mo原子與6個最近鄰S原子結合,屬于P6/mmc空間群.單層MoS2與FM層接觸時, 由于界面對稱性的破缺, 電流能夠誘導產生類阻尼SOT (τDL) 和 類場SOT(τFL)兩種效應.Zhang等[59]最早通過ST-FMR技術研究了MoS2/Ni80Fe20(Py)異質結中的SOT.其中MoS2是通過CVD方法制備的單層三角形晶粒.如圖1(a)和圖1(b)所示, 其對稱峰值(與類阻尼SOT相關)約為反對稱峰值(與類場SOT相關)的4倍, 表明類阻尼SOT可能比類場SOT大得多.由于逆Rashba-Edelstein效應誘導的自旋泵浦可能也有很大的貢獻, 該工作沒有量化SOT的強度.Shao等[60]進一步通過二次諧波霍爾方法定量研究了MoS2(WSe2)/CoFeB異質結中電流產生的SOT.其中, MoS2是CVD方法生長的大面積單層薄膜.如圖1(c)所示.測量得到的二次諧波霍爾電阻的典型方位角依賴性如圖1(d)所示.通過分析二次諧波霍爾電阻對方位角(φ)依賴性的不同, 可以分離得到類阻尼SOT和類場SOT的大小.實驗結果表明, MoS2,WSe2的類場SOT對應的自旋電導分別為2.9 ×103? /(2e) (Ω·m)—1, 5.5 × 103? /(2e) (Ω·m)—1; 類阻尼SOT在實驗測試誤差范圍內為零.Shao等[60]認為, 實驗到觀察到的類場SOT主要歸因于界面Rashba-Edelstein效應.當前, 大多數的SOT器件采用外場輔助下類阻尼SOT驅動垂直磁矩翻轉的操控機制, 因此獲得大的類阻尼SOT是人們所期望的.雖然上述工作表明CVD生長的單層MoS2和WSe2可能無法產生人們所需要的較大的類阻尼SOT, 但較大的類場SOT的發現讓人們看到了利用TMD材料產生SOT的信心, 因此激發了更多的科研人員開展TMD材料中SOT的相關研究.

Lv等[61]采用ST-FMR技術研究了1L-WS2/Py(10 nm)異質結構中的SOT (圖1(e)).樣品中WS2和Py薄膜分別通過CVD方法和電子束蒸發方法制備.實驗觀察到了類阻尼SOT和類場SOT,其主要物理起源被歸因于界面Rashba-Edelstein效應.這個實驗再次證明了利用單層TMD材料能夠產生SOT.更重要的是, Lv等[61]還證明柵壓可以調控TMD材料所產生的SOT (圖1(f)).當施加柵壓從—60 V到60 V,τFL/τDL從0.05增大到0.22.他們認為, 柵壓可調的特性可能源于載流子密度的改變導致的WS2/Py界面電流的變化.對于二維材料來說, 特別是對于具有半導體特性的單層二維材料, 柵壓調控屬性將是它較傳統金屬材料的一個重要優勢, 有望在電場輔助存儲和邏輯器件應用中發揮作用.

圖1 MoS2/Py異質結中ST-FMR信號的對稱(a)和反對稱(b)振幅隨外加磁場與平面夾角θ的依賴關系(插圖為基于MoS2/Py異質結的ST-FMR器件光學顯微鏡圖)[59]; (c) MX2/CoFeB 異質結的SOT測量裝置示意圖; (d) 二次諧波方法測得二階霍爾電阻與φ的函數關系, 外加磁場為100 Oe (1 Oe = 103/(4π) A/m)[60]; (e) WS2/Py雙層器件幾何結構示意圖, 其中Vg通過SiO2介質層施加; (f)Vg對Py和WS2/Py雙層的轉矩比 τ FL/τDL 調控特性[61]Fig.1.Out-of-plane (OOP) angular (the applied field is described by the polar angle) dependence of symmetric (a) and antisymmetric (b) components of the ST-FMR signal based on MoS2/Py heterostructure (the inset is photo image of ST-FMR device)[59];(c) measurement setup of SOT measurements for the MX2/CoFeB bilayer; (d) second-harmonic Hall resistance as a function of φ with an external magnetic field 100 Oe applied[60]; (e) schematic of the WS2/Py bilayer device geometry, where Vg was applied through the SiO2 dielectric layer; (f) torque ratio τ FL/τDL dependence of Vg for Py and WS2/Py bilayer[61].

2.2 二維(半)金屬材料

除了半導體TMD材料之外, (半)金屬TMD材料也被廣泛地研究.研究這類材料的主要驅動力在于它們具有高導電性、強自旋-軌道耦合、低結構對稱性等.人們最早研究的(半)金屬TMD材料是WTe2, 屬于Pmn21空間群.同MoS2相比, 它具有更低的對稱性, 滿足產生非傳統SOT的對稱性要求.MacNeill等[58]首次利用ST-FMR技術研究了WTe2/Py異質結構中的SOT, 如圖2(a)所示.除了傳統的類場SOT和類阻尼SOT, 實驗還觀察到了非傳統的面外SOT (圖2(b)), 其對應的自旋霍爾電導為 ( 3.6±0.8)×103?/(2e)(Ω·m)-1,且大小隨著施加電流和WTe2晶體a軸的角度的增大而減小.當施加電流和a軸垂直, 即沿b軸時,非傳統SOT消失, 這表明了非傳統SOT與晶體的對稱性有關.盡管早期的研究中顯示SOT對厚度的依賴關系很小, 隨著更深入的研究及更寬的厚度范圍的研究, 傳統和非傳統SOT都表現出了厚度的依懶性, 說明其微觀起源除了界面效應還有體效應的貢獻[62,67].Shi等[62]在WTe2/Py異質結構中實現了非常有效的電流驅動平面內磁矩翻轉(圖2(c)), 翻轉電流密度約為2.96 × 105A/cm2.更有趣的是, 在該體系中, 還觀察到了Dzyaloshinskii-Moriya相互作用, 為進一步研究手性磁結構提供了材料基礎.

圖2 (a) WTe2/Py異質結樣品幾何結構示意圖; (b) WTe2/Py器件的對稱和反對稱ST-FMR信號與面內磁場角度的依賴關系,其中電流平行于a軸[58]; (c) 由MOKE圖像捕捉到的電流驅動磁矩翻轉過程[62]; (d) 自旋電導率隨MoTe2厚度的變化關系[65];(e) MoTe2單斜1T′相的晶體結構和20層MoTe2薄膜的能帶結構[70]; (f) PtTe2/Py器件ST-FMR測量SOT效率ξSOT和自旋霍爾電導率 σs 的厚度依賴性; (g) PtTe2/Au/CoTb結構和PtTe2中電流產生的SOT的示意圖; (h)在不同的面內磁場下, PtTe2中電流產生的SOT驅動具有垂直磁各向異性的CoTb層磁矩翻轉[68]Fig.2.(a) Schematic of the bilayer WTe2/Py sample geometry; (b) symmetric and antisymmetric ST-FMR resonance components for a WTe2 (5.5 nm)/Py (6 nm) device as a function of in-plane magnetic-field angle, with current applied parallel to the a-axis[58];(c) switching process captured by MOKE images[62]; (d) spin conductivities as a function of the thickness of MoTe2, where σS stands for the conventional damping-like torque, σB stands for the out-of-plane damping-like torque, and σT stands for the out-of-plane field-like torque[65]; (e) crystal structure of the monoclinic 1T′ phase of MoTe2 and band structure of a MoTe2 slab with 20 monolayers[70]; (f) thickness dependence of ξSOT and spin Hall conductivity σs of PtTe2/Py measured by ST-FMR; (g) schematic layout for PtTe2/Au/CoTb stack and the SOT generated by the majority of current flowing in PtTe2; (h) current-induced switching of the CoTb layer by SOT from PtTe2 under different in-plane field[68].

因為低對稱性是允許產生非傳統面外SOT的前提條件, 后續一些實驗重點針對具有低對稱性的TMD材料展開.MoTe2屬于P21/m空間群, 滿足產生面外τDL的對稱性要求.Stiehl等[65]采用ST-FMR技術研究了β相MoTe2/Py體系中的SOT, 傳統的和非傳統的SOT同時被觀察到.實驗發現, 除了原因尚不清楚的2層MoTe2外, 面內和面外SOT對應的自旋電導都沒有明顯的厚度依賴性(圖2(d)), 揭示了MoTe2/Py體系中SOT的界面起源.Liang等[70]同樣研究了1T′-MoTe2/Py異質結中的SOT, 但并未發現面外SOT, 暗示了面外SOT起源的復雜性.該實驗重點集中于室溫零磁場下的電流驅動磁矩翻轉, 翻轉電流比傳統重金屬材料(例如Pt)要小一個數量級.實驗還研究了該體系中的SOT效率.對于其研究的最薄厚度為66.1 nm的MoTe2器件, 其SOT效率(ξSOT)約為0.35, 比Ta (～0.15), Pt (～0.06)都要大很多.翻轉電流隨MoTe2厚度的增大而增大, SOT效率呈現了隨著MoTe2厚度增大而降低.能帶結構計算結果(圖2(e))表明, 除了考慮體自旋霍爾效應外, 還需要考慮界面Rashba-Edlstein的貢獻.此外, 他們還設計了啞鈴形的異質結磁性器件, 翻轉電流進一步降低了60%之多.這些發現展示了MoTe2等半金屬二維材料在低功耗自旋電子器件領域的應用前景.

上面兩個關于MoTe2的實驗對比說明了非傳統面外SOT的起因可能是比較復雜的, 這個結論進一步被TaTe2和NbSe2的實驗研究所印證[64].TaTe2屬于C2/m空間群, 同樣滿足非傳統SOT對稱性的要求.但Stiehl等[65]在TaTe2/Py異質結構中并未發現面外SOT, 只觀察到了具有Dresselhaus對稱性的SOT.該SOT起源于TaTe2中各向異性的電導率導致的面內橫向電流分量產生的奧斯特場.在WTe2/Py雙層膜中也有類似的影響.除了常規奧斯特轉矩和Dresselhaus型轉矩外, 并未觀察到非傳統的SOT, 這可能是由于TaTe2中SOC較弱.同時Stiehl等[65]也論證了低對稱性晶體中面內的各向異性電導率對體系中SOT的重要影響.Guimaraes等[66]采用ST-FMR研究了NbSe2/Py雙層膜中電流誘導的SOT.NbSe2具有屬于P63/mmc空間群的六邊形結構, 與MoS2類似, 其對稱性是禁止產生非傳統SOT的.然而, 除了預期的SOT分量外, 他們依然觀察到了非傳統的SOT.Guimaraes等[66]將產生的非傳統SOT歸因于器件加工過程中引起的應變效應, 這種應變效應破壞了旋轉對稱性, 允許產生非傳統SOT.該結果表明除了晶格結構對稱性之外, 與界面質量、局部原子點群對稱性相關的其他微觀因素也可能對誘導產生非傳統SOT起到重要作用.

上面提到的實驗主要集中于探索非傳統面外SOT、開發具有大自旋霍爾角且高導電性的TMD材料.這些研究主要基于機械剝離的實驗方案, 該方法制備樣品的產率較低.如何制備具有大自旋霍爾角且高導電性的大面積TMD材料, 也是將TMD材料用于器件的關鍵.最近, Xu等[68]成功制備了大面積、高質量、厚度可控的PtTe2薄膜并且首次研究了這種第二類狄拉克半金屬的SOT效應.該PtTe2薄膜在室溫下具有高導電性(約為106S/m).因為PtTe2在大氣環境中相對穩定, 均勻、平整、大面積的PtTe2薄膜可轉移到磁控濺射設備中制備自旋電子器件.通過對PtTe2/Py異質結進行系統性的ST-FMR測量發現PtTe2薄膜具有較大的類阻尼SOT: 忽略界面自旋的損失, 5 nm厚的PtTe2的自旋霍爾角在0.09—0.15范圍, 是對照實驗中4 nm厚Pt的1.5—2倍.從PtTe2中SOT效率隨厚度非單調變化的實驗結果(圖2(f))可以推測PtTe2產生的SOT具有塊體態與表面態兩個不同的來源.由于PtTe2的高導電性以及較大的自旋霍爾角, 可實現非常高的自旋霍爾電導率,達 ( 0.2—1.6)×105?/(2e)(Ω·m)-1, 能與典型的拓撲絕緣體Bi2Se3相比擬.進一步的垂直磁矩翻轉實驗也證實了PtTe2具有比Pt更高的電荷-自旋轉換效率(圖2(g)和圖2(h)).該研究表明PtTe2以及狄拉克半金屬有希望應用于低功耗SOT器件及其他自旋電子學器件中, 同時該工作也揭示了大規模制備PtTe2類似的二維拓撲材料的可能性.

除了上述方法外, Husain等[69]采用離子束濺射的方法制備了大面積單層TaS2材料, 并采用ST-FMR和二次諧波霍爾測量手段, 研究了TaS2/Py異質結構中的SOT.在這種異質結構中, 觀察到了相當大的類場SOT和類阻尼SOT.其中, 自旋霍爾角為0.25 ± 0.03, 自旋霍爾電導率14.9 ×105? /(2e)(Ω·m)-1, 是目前報道的TMD材料中的最大值.研究發現, 大的類阻尼SOT來源于TaS2/Py異質結構的界面特性, 該發現得到了密度泛函理論計算結果的支持.界面自旋-軌道-耦合與晶體對稱性之間的相互作用會產生大的類阻尼SOT.該工作為設計下一代基于TMD材料的低功耗量子存儲器件提供了有效的思路.

3 基于磁性二維材料異質結構中的SOT及電流驅動磁矩翻轉

非磁性二維材料由于可以產生SOT, 能夠用于代替SOT器件中的重金屬材料.另一方面, 最新發現磁性二維材料(如CrI3, Cr2Ge2Te6(CGT),Fe3GeTe2(FGT)等[71-76])同樣可以應用于自旋電子器件中.磁性二維材料具有許多獨特而優異的性能.例如, 磁性二維材料優良的柵極可調性為探索磁電耦合現象和應用提供了條件[73,77].層狀反鐵磁二維材料如CrI3顯示出高達19000%的隧穿磁電阻[78], 展現了磁性二維材料的巨大優勢.利用二維鐵磁金屬FGT還可以構建無間隔層的自旋閥及全二維垂直自旋閥[79,80], 揭示了利用二維磁性同質或者異質結實現多態非易失磁存儲和邏輯的可能性.此外, 二維鐵磁材料中發現的磁斯格明子[81-87],也展現了其用于高密度賽道存儲器件的可能性.從上述相關工作能夠看出, 范德瓦耳斯(van der Waals, vdW)異質結構在開發新型自旋電子器件方面的潛在機會, 磁性二維vdW材料為新型自旋器件的開發提供了一個平臺, 對于開發新型自旋電子器件具有重要的研究價值.

將vdW材料用于構建自旋電子器件關鍵的挑戰在于如何有效地操控其磁矩, 實現從一種狀態到另一種狀態的轉換.國內外兩個研究團隊幾乎同時報道了FGT/Pt異質結中的高效SOT及電流驅動翻轉方面的重要進展(圖3(a)—(c))[88,89].當電流在重金屬Pt中流動時, 會產生自旋電流并注入磁性FGT中, 利用該自旋流可以有效地操控少層磁體FGT的磁矩方向.圖3(b)展示了FGT在面內磁場分別為Hx= 50和—50 mT的輔助下, 溫度為100 K時的電流驅動磁化翻轉.FGT的磁化通過電流掃描從一種狀態切換到另一種狀態.正(負)面內磁場的翻轉極性為逆時針(順時針), 表明Pt的自旋霍爾角為正, 與之前報道的研究工作一致.值得注意的是, SOT操控所實現的兩個電阻狀態并不是完全飽和的(飽和態由圖3(b)中虛線表示), 該現象被歸因于電流導致的熱效應.研究人員還利用諧波測量進一步定量表征了SOT有效磁場, 并以此為依據估算了少層FGT的飽和磁化強度的上限, 該值比塊體材料的飽和磁化強度小一個量級.除Pt誘導產生SOT外, 最近的研究表明電流在每一個單層的FGT中也會產生局域SOT[90],并能夠對FGT的矯頑場產生有效的調制(圖3(d)).同時利用重金屬中產生的SOT和FGT中的局域SOT, 將有利于進一步降低翻轉FGT磁矩的電流密度.上述有關電流操控FGT磁矩所取得的進展進一步推動探索更多vdW磁性材料在自旋電子學器件中的應用.

圖3 FGT/Pt雙層器件的示意圖(a)和SOT驅動的垂直磁矩翻轉(b)[88]; (c) SOT驅動FGT磁矩翻轉有效翻轉電流隨施加面內磁場的變化[89]; (d) 基于FGT的磁存儲器件原理圖及電流誘導的矯頑場大幅度降低, 從而降低寫入電流密度[90]; (e) 基于CGT/Ta異質結Hall器件的原理圖和4 K溫度下施加流過Ta的電流Idc和平面內磁場Hx組合時的磁矩mz相圖[91]; (f) FGT/WTe2雙層結構的原子示意圖和不同電流密度下FGT/WTe2 霍爾條在10 K垂直磁場下的反常霍爾電阻[92]Fig.3.Schematic view (a) and SOT-driven perpendicular magnetization switching (b) in the FGT/Pt bilayer device[88]; (c) currentinduced magnetization switching of FGT and effective switching current as a function of applied in-plane magnetic field[89];(d) schematic of FGT-based magnetic memory device and the current-induced substantial reduction of the coercive field and then reduction of the write current[90]; (e) schematic of a fabricated Hall bar device from a CGT/Ta heterostructure and phase diagram of mz for applied combinations of Idc and Hx at 4 K[91]; (f) atomic schematic view of FGT/WTe2 bilayer structure and anomalous Hall resistance of the FGT/WTe2 Hall bar under a perpendicular magnetic field at 10 K with various current densities[93].

近期, Ostwal等[91]和Gupta等[92]分別進行了通過SOT對vdW鐵磁體CGT中磁矩調控的研究.Ostwal等[91]在CGT/Ta異質結構中(圖3(e)),施加平面內磁場和流過Ta (一種表現出巨大自旋霍爾效應的重金屬)的電流組合, 在面內磁場為20 mT時, 用低至5 × 105A/cm2的電荷電流密度實現了CGT的磁矩翻轉.該電流密度比翻轉非層狀金屬鐵磁體CoFeB等所需的電流密度低兩個數量級.這些結果顯示了二維磁性材料未來應用于自旋電子器件的巨大潛力.

到目前為止, 大多數的工作主要集中于范德瓦耳斯材料與傳統的金屬材料構成的異質結中的SOT研究.未來, 探索利用全二維材料SOT器件將成為一個重要的研究方向.Shao等[93]已經進行了初步的嘗試, 研究了FGT/WTe2雙層vdW異質結構中的反?；魻栃?圖3(f)).在這種器件中, 電流可以有效地調節FGT薄片的矯頑力, 主要歸因于FGT/WTe2雙層界面熱導較低而產生焦耳熱效應.雖然該實驗沒有實現SOT驅動磁矩的翻轉, 但闡明了選擇熱性能好的二維材料來提高界面熱導是非常重要的, 為進一步實現具有性能優良的全二維自旋電子器件提供了思路.

4 結論與展望

本文綜述了基于二維材料的SOT領域的最新研究進展, 重點介紹了基于TMD/FM異質結構中SOT的研究現狀、基于磁性二維材料異質結構中的SOT及電流驅動磁矩翻轉的研究進展.TMD材料中SOT研究的廣泛關注很大程度上得益于傳統SOT材料的快速發展和器件應用的良好研究環境.但與傳統重金屬材料中的SOT研究相比, 有關二維vdW材料及其異質結的SOT的研究剛剛興起, 還主要處于材料探索和基礎物理研究階段.雖然研究還處于初期階段, 但已經發現了很多新奇的物理現象, 如產生新型面外類阻尼SOT、電場可調等特性, 展現了良好的發展態勢, 進一步的材料、物理和器件應用研究也呈現出不斷擴大和深入的趨勢.基于當前的研究成果來看, 二維vdWs材料的器件應用進程依然存在著幾個方面的挑戰:

1)二維材料中非傳統SOT的微觀物理機制仍不清楚.目前實驗所觀測到的非傳統SOT不能用我們所熟悉的自旋霍爾效應或界面Rashba-Edelstein效應解釋, 背后的物理機制仍有待探究.進一步從理論上闡明非傳統SOT的產生機制將有助于找到提高其強度的方法, 促進非傳統SOT在操控垂直磁矩方面的應用.值得指出的是, 利用二維材料谷霍爾效應[94-96]也有可能產生垂直極化的自旋流, 有望用于產生垂直SOT[97].

2)磁性二維材料的居里溫度需要進一步提高.雖然磁性二維材料在一些方面展現出了優勢, 但目前大多數磁性二維材料的居里溫度都在室溫以下,極大地限制了其在自旋電子器件中的應用.如何進一步提高居里溫度是磁性二維材料相關的物理研究的重要方向, 也是其是否能夠用于自旋電子器件的關鍵.目前, 一些研究已經報道了相關的技術方案, 能夠將已有的磁性二維材料的居里溫度提高,如利用離子液體進行電場調控[73]、利用微結制備方式[98]、界面反鐵磁誘導[99]、Ga離子注入[100]等方式.此外, 不斷探索更多的磁性低維材料也是尋求實現高居里溫度的關鍵[101-103].

3)晶圓級二維材料的制備.雖然通過機械剝離制備的二維材料具有很高晶體質量, 但由于樣品尺寸小, 無法實現大規模生產制備.生長二維晶體材料的常用方法: 分子束外延、化學氣相沉積、金屬有機化學氣相沉積和磁控濺射.在晶圓尺度上確保二維材料的單晶度和均勻性是至關重要的.最近的一些研究進展為解決這個問題提供了一些思路.例如, Zhang課題組[104-106]一直致力于采用CVD方法實現TMD二維材料的高質量晶圓級生長;Xu等[68]通過CVD兩步法成功制備了大面積、高質量、厚度可控的PtTe2薄膜; Liu等[107]和Wang等[108]則利用分子束外延實現晶圓級二維FGT材料的制備.Zheng等[109]和Guo等[110]證實了可采用磁控濺射方法制備大面積的超薄拓撲絕緣體材料.這些工作為獲得尺寸可控、規?；?、均勻的可集成化二維材料的制備提供了重要的思路.

4)與現有半導體技術的集成.SOT器件能大規模應用, 需要使用后端工藝與現有的標準CMOS技術集成.在該工藝中, 二維材料需要集成在非晶或多晶襯底(如氧化硅)上.即使有緩沖層, 高質量二維材料直接生長在非晶或多晶襯底上目前仍是一個很大的挑戰.可以采取轉移大規模的二維材料到非晶或多晶襯底上, 而轉移加工過程中如何保證二維材料的高質量及穩定性也是目前需要解決的重要課題.高質量界面有利于自旋傳輸, 對于獲得大的SOT至關重要, 因此實現高質量干凈界面也是目前這一領域亟待解決的技術加工問題.

解決上述幾方面的挑戰是未來二維材料在自旋電子器件中應用的關鍵, 有可能成為未來幾年自旋電子學領域重點關注的方向, 需要物理、材料、半導體領域科學工作者的共同努力和不斷探索.除此之外, 基于二維材料的其他自旋相關效應, 如磁電阻效應、自旋注入、自旋泵浦、反鐵磁翻轉、自旋振蕩、磁疇壁和斯格明子電流操控、自旋熱電效應等, 均有待進一步地深入研究探索, 也有望推動發現新的物理現象, 催生新的研究方向.