基于自旋的數據存儲和運算技術(shù)是解決大數據時(shí)代計算能力不足和存儲空間不夠的優(yōu)選方案之一。而磁隨機存儲器和自旋邏輯器件分別是自旋電子學(xué)可以明確針對存儲和邏輯運算兩方面挑戰難題而提出的對應關(guān)鍵技術(shù)。它們兩者共同的物理和器件基礎是：(1)高磁電阻比值的磁性隧道結材料和(2)電流驅動(dòng)的磁矩翻轉機理。后者還是磁隨機存儲器分代的標準。第一代和第二代磁隨機存儲器分別利用電流誘導的磁場(chǎng)和自旋極化電流攜帶的自旋轉移力矩(STT)進(jìn)行數據寫(xiě)入操作。其中自旋轉移力矩驅動(dòng)的磁隨機存儲器(STT-MRAM)即將逐漸嵌入現有的微電子設備，有望成為繼計算機硬盤(pán)磁讀頭后第二個(gè)大規模應用的自旋電子學(xué)核心器件。
最近自旋軌道力矩(SOT)效應的發(fā)現以及隨之而來(lái)新型電流操控磁矩技術(shù)的發(fā)明，為設計自旋存儲和邏輯運算器件提供了新的發(fā)展思路，也為基于該效應的自旋器件提供了更加豐富的功能、更加優(yōu)異的性能。不僅具備經(jīng)典自旋轉移力矩型器件所具有的數據非易失性、低能耗、CMOS兼容性和抗輻射等特點(diǎn)，自旋軌道力矩型(SOT)器件還具有超高速、長(cháng)壽命、高熱穩定性、多功能、調控手段豐富等特征，非常適于開(kāi)發(fā)高速存儲器件和可編程的邏輯運算器件。特別值得強調的是，自旋軌道力矩型器件的多功能特征得益于自旋軌道力矩驅動(dòng)磁矩翻轉過(guò)程的豐富可調性，如電流驅動(dòng)的磁矩翻轉方向可受偏置磁場(chǎng)極性的調控、臨界翻轉電流密度可通過(guò)偏置磁場(chǎng)的強度或者電壓操控磁各向異性來(lái)調節。遺憾的是，現在自旋軌道力矩型器件多功能性的發(fā)揮還離不開(kāi)外加磁場(chǎng)的協(xié)助，這無(wú)疑增加了器件設計的復雜度、器件功耗以及器件小型化的難度。為了將自旋軌道力矩型器件真正推向大規模實(shí)際應用，科研人員還需要發(fā)現既可保持器件多功能特性、同時(shí)還能實(shí)現器件全電學(xué)操作的新原理、新方法。
中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心磁學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室M02研究組研究員韓秀峰課題組很早就研究并注意到自旋軌道力矩(SOT)效應的重要性和潛在應用價(jià)值，并于2009年最早申請了一個(gè)利用自旋軌道力矩翻轉磁矩并應用于磁隨機存儲器和自旋邏輯的中國發(fā)明專(zhuān)利(200910076048.X)。此后，該研究組一直堅持研究自旋軌道力矩效應及其相關(guān)自旋電子學(xué)原型器件探索，先后從實(shí)驗和理論角度清楚表明了兩類(lèi)自旋軌道力矩—類(lèi)阻尼力矩和類(lèi)場(chǎng)力矩對磁矩翻轉過(guò)程的影響[Phys. Rev. B, 94 (2016) 174434]，實(shí)驗演示了利用自旋霍爾效應設計多功能可編程自旋邏輯陣列器件的可行性和可實(shí)現途徑[Adv. Electron. Mater. 3 (2017) 1600282; J. Magn. Magn. Mater. 428 (2017) 401 (Letter to Editor)]，并實(shí)現了零外加磁場(chǎng)條件下的自旋軌道力矩翻轉[Appl. Phys. Lett. 109 (2016) 132402]。
最近，M02研究組在原有研究基礎上創(chuàng )新性地利用磁性材料層間耦合效應替代原有自旋軌道力矩器件工作所需的外加磁場(chǎng)，在完全不依賴(lài)外加磁場(chǎng)的條件下，實(shí)現了純電學(xué)手段操控的多模態(tài)自旋軌道力矩翻轉。并且基于這一原理，在單一自旋霍爾邏輯單元中實(shí)現了多種邏輯功能的可編程操作。如圖1.(a)和(b)所示，磁性多層膜異質(zhì)結構為Pt/Co/Ru/Co/Pt，通過(guò)優(yōu)化磁性層Co的厚度，在兩層Co中分別實(shí)現了垂直磁各向異性和面內磁各向異性，兩層磁性層通過(guò)中間的非磁金屬層Ru實(shí)現反鐵磁耦合。其中垂直磁各向異性層的磁化翻轉可以通過(guò)y方向電流驅動(dòng)完成。在此過(guò)程中，面內磁性層通過(guò)層間耦合效應，為垂直層提供一個(gè)面內的等效磁場(chǎng)，因此可以在不施加任何外磁場(chǎng)的條件下，實(shí)現垂直層磁矩的純電流翻轉。且面內層磁矩的方向，決定垂直層磁矩的翻轉極性。例如當面內層磁矩被磁化到+y或-y方向時(shí)，垂直層磁矩的翻轉極性分別為逆時(shí)針和順時(shí)針[圖1.(c)和(d)]。
更重要的是，面內層磁矩也可以被沿x方向的脈沖電流所翻轉。該過(guò)程類(lèi)似于經(jīng)典STT效應導致的磁化翻轉。因此可以利用x方向電流預先驅動(dòng)面內層磁矩指向+y或-y方向，然后可以實(shí)現不同的垂直層磁矩翻轉極性[圖1.(e)和(f)]。進(jìn)一步，利用這一翻轉特性，可實(shí)現全電學(xué)操作的可編程自旋霍爾邏輯器件，其邏輯操作如圖2所示。利用一個(gè)預先施加的沿x方向的脈沖電流預置面內層磁矩的方向。該操作相當于對整個(gè)器件增加了一個(gè)“反相器”的功能，使得器件的邏輯功能可以在“與”和“與非”之間實(shí)現純電學(xué)的切換。
這種自旋邏輯方案，實(shí)現了不需要外磁場(chǎng)輔助的、純電學(xué)操控的自旋霍爾邏輯器件，并且保持了原有方案的數據非易失性、邏輯單元的多功能性和可編程性，且便于與CMOS工藝相兼容。這一進(jìn)展使得自旋霍爾邏輯器件朝實(shí)用化方向和自旋邏輯運算存儲一體化又邁進(jìn)了一大步，具有非常重要的科學(xué)和應用價(jià)值。相關(guān)研究工作已經(jīng)在《先進(jìn)材料》雜志上發(fā)表 [Xiao Wang, Caihua Wan and Xiufeng Han et al. Field-Free Programmable Spin Logics via Chirality Reversible Spin–Orbit Torque Switching. Adv. Mater. 30 (2018) 1801318]。相關(guān)SOT自旋邏輯和SOT自旋存儲器的系列設計方案已獲得美國專(zhuān)利授權[自旋邏輯器件和包括其的電子設備, US15/256,262]。該項課題研究得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì )、科技部和中科院有關(guān)項目基金的支持。
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圖1.(a)和(b)分別為通過(guò)沿y方向和x方向的脈沖電流實(shí)現兩層磁矩翻轉的機理示意圖。藍色、黃色、紅色箭頭分別代表電流、磁矩、層間耦合等效磁場(chǎng)的方向。紫色箭頭代表自旋軌道力矩的方向。在第一種模式下，電流可翻轉垂直層磁矩；在第二種模式下，電流可翻轉面內層磁矩。并且通過(guò)控制面內層的磁矩方向，垂直層在第一種模態(tài)下的翻轉方向（順時(shí)針或逆時(shí)針）也可靈活改變。(c)在不同外磁場(chǎng)下的垂直層磁矩的翻轉特性曲線(xiàn)。(d)零場(chǎng)下的垂直層磁矩翻轉特性曲線(xiàn)，翻轉方向受面內層磁化狀態(tài)的影響。(e)通過(guò)電流調控的垂直層磁矩翻轉的不同翻轉極性。垂直層磁矩翻轉方向可被x方向的預置電流靈活調控。(f)面內層磁矩的翻轉特性曲線(xiàn)。它由圖(e)的翻轉方向反推得到。
