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……