基于外爾半金屬WTe2 的自旋-軌道矩驅動磁矩翻轉*

魏陸軍 李陽輝 普勇

(南京郵電大學理學院,江蘇省新能源技術工程實驗室,南京 210023)

1 引言

在過去三十年中,巨磁電阻和隧穿磁電阻的發現已經顯著提高了硬盤存儲密度[1–3].隨著自旋電子學的快速發展,新型的自旋電子器件,如賽道存儲器和磁隨機存取存儲器(magnetic random accessory memory,MRAM)等,在后摩爾時代展現出了巨大的潛力[4,5].這些自旋電子器件的功耗和存儲速度取決于調控磁矩翻轉的方法.最傳統的方法是利用外加電流產生磁場來調控磁矩翻轉,然而由于其功耗高、密度低且伴隨有雜散場產生,因此不利于高性能器件實際的應用.為了解決這個難題,在過去的二十多年里,研究者們利用電流誘導的力矩來操控磁矩翻轉[6–10].最初是利用自旋轉移矩(spin-transfer torque,STT)效應,即電子被一層鐵磁層自旋極化,自旋極化的電子影響另一鐵磁層的磁化翻轉的現象[8,11].現在已被用于制造商用STT-MRAMs.盡管STT 有很多優點,然而,過高的臨界翻轉電流密度會增加絕緣隧穿層擊穿的風險,從而對器件的穩定性產生負面影響[12,13].

另一種方法是電流誘導的自旋軌道矩(spinorbit torque,SOT),這最近已成為一種很有前途的高效操控磁化翻轉的技術[9,10,14].最典型的SOT結構包括鐵磁(ferromagnetic,FM)/非磁金屬(normal metal,NM)異質結.當電流在FM/NM 中流動時,由于體或界面自旋軌道耦合作用,NM 中電流會轉化為自旋流,然后在FM/NM 界面聚積,并擴散到相鄰的FM 層,使自旋流通過角動量傳遞對局部磁矩施加力矩.SOT 的根本起源在于NM 層的強自旋軌道耦合(spin-orbit coupling,SOC),且廣泛用于磁矩的電調控,如快速磁化開關、高速磁疇壁運動和自旋波激發[9,10,14–18].與STT 器件相比,電流不需要經過隧道結層,且自旋轉換效率較高.因此SOT 器件具有穩定性更高、響應速度更快和能耗更低等優點.為了更高效地產生自旋流和實現磁矩翻轉的電調控,必須增強NM 層的SOC強度.同時,為了構建具有強SOC 的NM/FM 異質結,過去人們探索了大量的NM 材料.在先前的研究中,Pt,W 和Ta 等5d 重金屬因具有較強的SOC 而被廣泛用作自旋源材料[10,14,19].然而,這些材料的自旋霍爾角(spin Hall angle,SHA)通常小于1[20,21].對于SOT 翻轉垂直磁化而言,這些材料通常需要打破對稱性才能實現[22–28].然而,克服這一限制通常采用復雜的制造工藝或額外的磁性層,這會降低存儲密度和器件的耐久性.因此,迫切需要尋找具有強SOC 的新型材料來提高SOT 效率,同時能實現零磁場垂直磁化翻轉.

作為一種替代方案,二維范德瓦耳斯(van der Waals,vd W)層狀材料最近被提出可以作為SOT器件的自旋源材料.在各種vd W 材料中,過渡金屬硫族化合物(transition metal dichalcogenides,TMDs)因其具有非平凡的能帶結構、可調電導率和強SOC 而成為有前途的候選材料[29–31].TMDs在SOT 應用中表現出諸多優勢,如設計晶體對稱和電場來調控SOT 的強度、SOT 效率高于NMs及其可以擴展到原子層極限[32,33].最近的研究表明外爾半金屬也具有非平凡能帶結構[34,35],可引起明顯的Edelstein 效應,且其比拓撲絕緣體或Rashba體系的強一個數量級.同時在外爾半金屬中,體態產生的強烈本征自旋霍爾效應也有助于自旋流的產生[36].與其他新型的二維自旋源材料(如MoS2,WSe2和WS2等)相比,二維外爾半金屬材料具備更低的對稱性,以滿足產生非傳統 SOT 所需的對稱性要求,并且擁有更高的電導率,從而可能降低磁矩翻轉操作的功耗.尤其Td 相的WTe2具有很強的SOC 和在表面態和體態中都具有受時間反演對稱性保護的大自旋極化的非平凡能帶結構[34,37].同時對于低對稱性結構的WTe2具有更強的SOC,既可以產生常規的面內類阻尼矩(τS),也可以產生非常規的面外類阻尼矩(τB)[32,38].最近研究者利用WTe2已經實現了零磁場低溫和室溫下磁矩翻轉的電調控[39–44],這為研究新型自旋電子器件提供了很有價值的參考.表1 匯總了已報道的實驗研究工作中WTe2晶體的制備方法、鐵磁層材料以及WTe2/FM 異質結的SOT 的表征方法、測試溫度和自旋霍爾電導率[32,38–43,45–47].

表1 實驗研究工作中WTe2 晶體的制備方法、鐵磁層材料和WTe2/FM 異質結的SOT 的表征方法、測試溫度和自旋霍爾電導率Table 1.Preparation method of WTe2 crystal,FM material,measurement method,experimental temperature and spin Hall conductivity for SOT in WTe2/FM heterostructures.

本綜述首先總結了基于WTe2的異質結的自旋軌道矩的研究的最新實驗進展,然后介紹了WTe2/FM 異質結的自旋軌道矩的探測和磁矩翻轉的電調控相關工作,最后提出WTe2實際應用要求,并進行總結和展望.

2 WTe2/FM 異質結自旋軌道矩的研究

外爾半金屬WTe2具有很強的SOC[37,48,49]和較高的電子遷移率[50],這使其成為一種極具潛力的自旋源材料.WTe2和其他過渡金屬二硫化物一樣具有層狀結構,但由于其額外的結構畸變導致較低的晶體對稱性,即缺乏反演對稱性,其空間群為Pmn21[51].對于WTe2/FM 異質結構中,旋轉軸和滑移面對稱在界面處被打破,因此它只有一種對稱,即相對于bc平面的鏡像對稱(圖1).在ac平面上沒有鏡像對稱,因此沒有關于c軸的180°旋轉對稱(垂直于ab平面).

在2016年,MacNeill 等[38]利用自旋力矩-鐵磁共振(spin-torque ferromagnetic resonance,STFMR)技術首次在機械剝離的WTe2/Py (Py=Ni81Fe19)異質結構中發現存在面外類阻尼矩(τB).他們在研究中發現,當微波電流沿a軸(低對稱軸)時,公式VA(?)=Acos(?)sin(2?)+Bsin(2?) 能很好地擬合反對稱電壓信號VA的角度依賴特性,表明產生的面外SOT 除了有傳統的面外類場矩(τA),還有τB的貢獻.然而,當微波電流沿著b軸(高對稱軸)時,額外項(Bsin(2?))消失,說明此時只存在傳統的τA.當微波電流從a軸逐漸變到b軸時,τB/τA逐漸減小甚至為零,這證明了觀察到面外SOT 與WTe2晶體中的對稱性相關.進一步研究發現,τB/τA和τS/τA(τS表示面內類阻尼矩)都與WTe2的厚度無關,表明這3 個力矩(τS,τA和τB)的產生主要是WTe2/Py 異質結的界面效應引起的.此外,當微波電流沿著低對稱軸時,他們還得到:

2017年,MacNeill 等[32]利用二次諧波霍爾(second-harmonic Hall,SHH)和ST-FMR 技術也研究了WTe2/Py 異質結中SOT 與WTe2厚度的關系,進一步證實了面外類阻尼矩的存在,且其大小與WTe2厚度幾乎沒有關系(圖2(a)),即使是單層WTe2樣品也能提供與更厚的樣品相當的SOT.然而,面外類場矩與WTe2厚度具有顯著的關系,主要起源于奧斯特場.同時,在具有單層臺階WTe2的樣品中發現符號相反的面外類阻尼矩.在WTe2/Py 器件中,SHH 電壓的角度依賴性表明單層和雙層WTe2的樣品的τB符號相反(圖2(b)),這些發現與WTe2晶體的非對稱性相一致.

圖2 (a) τS/τB 和τT/τB 分別與WTe2 厚度的關系;(b)單層和雙層的WTe2/Py 器件的二次諧波霍爾電壓與外加磁場角度關系,τB 的符號反轉反映在發現峰值信號的不同角度上[32]Fig.2.(a) Ratios of the τS/τB and τT/τB as a function of WTe2 thickness;(b) second-harmonic Hall data for a WTe2/Py device with a monolayer bilayer WTe2,as a function of the angle of the applied magnetic field.The sign reversal of τB is reflected in the different angles at which the peak signals are found[32].

2019年,Shi 等[45]也利用ST-FMR 技術測量了機械剝離的WTe2/Py 異質結的SOT,發現當b軸通電流時SOT 明顯依賴于厚度變化,且SOT的效率隨著厚度的增大而增大.他們還通過STFMR 和電流誘導的磁化開關方法分別測量不同厚度的WTe2器件中的有效自旋霍爾角,結果都表現出類飽和的體效應特性,這表明SOT 的起源是體效應,也就是自旋霍爾效應.由于機械剝離的WTe2僅為微米尺寸,不利于器件實際的應用.于是在2021年,Shi 等[47]采用CVD 方法生長了厘米尺寸的Td 相的WTe2薄膜,并利用ST-FMR 研究了5 nm 厚的WTe2與FeNi 組成異質結的自旋軌道矩,得到面內和面外的自旋霍爾電導率分別為7.36×103(?/2e) (Ω·m)–1,1.76×103(?/2e) (Ω·m)–1,這與機械剝離WTe2得到的結果相吻合.與此同時,還有很多研究者努力用磁控濺射的方法生長WTe2,但只能制備到WTex非晶體,僅觀察到有常規的面內類阻尼矩,而沒有面外類阻尼矩[52–54].

3 WTe2/FM 異質結磁矩翻轉的電調控

3.1 WTe2 和普通鐵磁異質結

2019年,Shi 等[45]首次報道了在機械剝離的WTe2/Py 異質結中室溫下電流驅動面內的磁化翻轉的現象,并通過磁光克爾顯微鏡對WTe2(80 nm)/Py(6 nm)器件的電流驅動的面內磁疇翻轉進行表征,測得臨界翻轉電流密度為2.96×105A/cm2.這一數值比拓撲絕緣體/鐵磁金屬(Bi2Se3/Py)(～ 6×105A/cm2)[55]和Pt(6 nm)/Py(6 nm)(～ 2.80×107A/cm2)異質結的臨界翻轉電流密度小.由于WTe2的電阻率(～580 μΩ·cm)低于Bi2Se3拓撲絕緣體的(8 層樣品的電阻率約為2600 μΩ·cm),因此在WTe2/Py 異質結中電流驅動磁化翻轉的功耗比Bi2Se3/Py 異質結的小19 倍,也比Pt(6 nm)/Py(6 nm)的小350 倍.此外,他們還觀察到WTe2/Py 中的手性磁疇壁傾斜,這歸因于界面誘導Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用.之后,他們又利用CVD 生長了WTe2,并與NiFe 組成異質結[47],測得臨界翻轉電流密度為2.53×105A/cm2,這與機械剝離的WTe2的結果基本一致.

2021年,Xie 等[43]構建了氧化物SrRuO3和機械剝離WTe2的異質結,在40 K 下實現了電流誘導垂直磁化的確定性翻轉,這歸因于范德瓦耳斯材料WTe2產生的面外自旋極化.他們通過反?；魻栃鼐€偏移(AHE loop shift)方法進一步證實了面外自旋極化的存在.同年,Zhao 等[56]也報道了在室溫下WTe2可以通過電流誘導產生自旋極化及在石墨烯通道中的實現高效自旋注入和檢測.實驗結果表明,WTe2中存在一種非常規的電荷-自旋轉換現象,這與傳統的自旋霍爾效應和Rashba-Edelstein 效應相反.這種現象主要是由于系統晶體的對稱性所限制而產生的.由于WTe2晶體對稱性的降低以及具有大的自旋貝里曲率(spin Berry curvature)和新費米態的自旋結構自旋軌道相互作用,使得它可以產生較大的自旋極化.這些發現為利用外爾半金屬材料作為全范德瓦耳斯自旋電子電路中的非磁性自旋源以及低功耗和高性能非易失性自旋電子技術提供了機會.

近期,Wang 等[42]利用CVD 技術生長了晶圓級、高質量的少層WTe2,之后在其表面利用磁控濺射沉積了垂直磁化的多層膜Ti (1.5 nm)/Co20Fe60B20(1.2 nm)/MgO (2 nm)/Ta (3 nm).他們觀測到了室溫下無外場輔助的電流驅動的磁化翻轉現象(圖3(a)).通過SHH 結合AHE loop shift 的方法,他們測量了該樣品面內和面外的自旋霍爾電導率分別為(3.58±0.12)×103(?/2e) (Ω·m)–1和(2.05±0.39)×103(?/2e) (Ω·m)–1,并估算出其面內和面外的電荷-自旋轉換效率分別為0.36±0.01 和0.02±0.004.他們指出自旋極化的面外和面內分量比約為5%,足以實現無外場輔助的確定性磁化翻轉.該樣品的臨界翻轉電流密度為3.25×106A/cm2,比控制樣品W/Ti/CoFeB/MgO (13.69×106A/cm2)更低.這些實驗結果為WTe2作為自旋源材料在磁矩翻轉的電調控技術中的應用提供了有益的實驗支持,并對其進一步的研究具有重要的參考價值.

圖3 (a)電流沿WTe2 a 軸誘導磁化翻轉特性[42];(b)在WTe2/Fe3GeTe2 異質結中SOT 誘導的無場磁化翻轉[40]Fig.3.(a) The current-induced magnetization switching behavior along the a axis of WTe2[42];(b) SOT-induced field-free switching in WTe2/Fe3GeTe2 bilayers[40].

3.2 WTe2/二維鐵磁異質結

2022年,Kao 等[39]利用機械剝離制備了全vdW WTe2/Fe2.78GeTe2異質結,并在溫度為100—200 K 之間實現了零磁場下電流驅動的垂直磁化確定性的翻轉.由于二維Fe2.78GeTe2的居里溫度(TC<230 K)遠低于室溫,因此只能在低溫下研究電流驅動的磁化翻轉行為.他們通過測試AHE loop shift 證明了當電流應用于WTe2的a軸時存在非零面外類阻尼矩,且AHE loop shift 是突然變化的,而不是一個線性的偏移,這表明系統中不存在明顯的面外類場矩.在170 K 時器件的臨界翻轉電流密度約為6.5×106A/cm2.

同年,Ye 等[40]提出并實現了軌道轉移矩(orbit-transfer torque,OTT),即利用軌道磁矩對磁化強度施加力矩,從而提出了一種無外加磁場的電流驅動垂直磁化翻轉的新策略.由于在WTe2中存在非零貝里曲率偶極子(Berry curvature dipole),施加電流可以產生軌道磁矩的垂直極化,并且通過改變電流極性可以改變極化方向.在此原理的指導下,他們構建了WTe2/Fe3GeTe2異質結構,實現了OTT 驅動零場下的電流誘導磁化翻轉(圖3(b)).在溫度為120 K 時,對于不同厚度的WTe2/Fe3Ge Te2樣品,臨界翻轉電流密度約為6.5×106—8.6×106A/cm2.此外,Wang 等[41]也在二維WTe2/Fe3GeTe2異質結中利用非常規的電荷-自旋轉換實現垂直磁化零磁場的確定性翻轉,并提出了一種以前未實現的對稱寫入和讀出機制.這種機制可以在基于垂直各向異性自旋軌道量子材料WTe2和Fe3GeTe2的體系中實現,并且可以實現功能完整的邏輯內存操作集和更復雜的非易失性半加法器邏輯功能.同時,Shin 等[57]也利用WTe2/Fe3GeTe2全范德瓦耳斯異質結中觀測到了電流誘導的磁化翻轉特性,估算出WTe2的SOT 效率為4.6.值得一提的是,在150 K 時獲得的臨界翻轉電流密度為3.90×106A/cm–2,比傳統重金屬/鐵磁體薄膜的小一個數量級.這些研究成果為基于自旋電子學的新型器件的設計和制備提供了有益的參考,并為未來的研究提供了新的思路和方向.

4 結論和展望

本文綜述了基于二維外爾半金屬WTe2的自旋軌道矩的最新研究進展,介紹了WTe2與普通鐵磁及二維鐵磁組成異質結的研究現狀和自旋軌道矩誘導磁矩翻轉的研究進展.外爾半金屬WTe2作為一種能產生非常規面外SOT 的新型量子材料,將會構建很多新的自旋電子器件.對于其應用還存在以下幾個方面的挑戰.

1)面外類阻尼SOT 產生的機制不夠清楚.利用自旋霍爾效應和Rashba-Edelstein 效應很難解釋WTe2產生非常規的面外極化的自旋流,需要進一步的實驗結合理論來闡明本質機制.

2)室溫全二維異質結的磁矩翻轉的電調控.器件室溫工作可以拓寬實際應用的價值.這需要使用新發現的或尋找新的室溫二維磁性材料,如Fe5GeTe2[58–60],CrTe2[61]和Fe3GaTe2[62,63]等.同時還要求制備出室溫高質量原子層級別異質結的磁矩翻轉的電調控器件,這更有利于提高下一代高性能自旋電子器件的集成密度.

3)大面積生長高質量的WTe2晶體及室溫二維鐵磁體.在SOT 器件中,二維材料通常采用機械剝離的方法制備,難以與現代半導體技術相結合.雖然用CVD 方法能長出厘米尺寸的WTe2,還需要進一步優化實驗條件生長均勻、原子層、高質量和晶圓尺寸的二維WTe2晶體.此外,Liu 等[64]利用分子束外延獲得晶圓級二維Fe3GeTe2晶體,這為大面積和均勻可控層數生長二維材料的制備提供重要的參考.

4)兼容問題.二維材料必須轉移到硅基上,與其他薄膜形成高質量的異質結組裝.另外與傳統的隧道結或者全二維隧道結組裝也是當前面臨的一大挑戰.

基于二維外爾半金屬WTe2的SOT 器件在基礎研究和技術應用方面吸引了越來越多研究者的關注,并在SOT 效率和磁矩的電調控等方面取得了一些進展.最近,研究者發現另外一種新的外爾半金屬材料TaIr Te4,它的電阻率比WTe2低,能夠產生面外的類阻尼矩,且自旋霍爾電導率高于WTe2.此外,它還實現了室溫下零磁場高效的磁化翻轉的電調控[65,66].這些發現將促進外爾半金屬材料在下一代高性能自旋電子器件的發展,我們期望基于外爾半金屬的SOT 器件未來能夠得到廣泛應用.