同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院丘學(xué)鵬教授團(tuán)隊(duì)在亞鐵磁自旋電子領(lǐng)域取得進(jìn)展。該項(xiàng)研究成果以“Sign-Tunable Magnetic Tunnel Junctions Engineered via Ferrimagnets for Efficient All-Electrical and Thermal Switching”為題發(fā)表于《Advanced Functional Materials》期刊。

磁隧道結(jié)（MTJ）作為非易失性存儲(chǔ)器、磁傳感器和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算技術(shù)的核心元件，其基本工作原理依賴于自由層與參考層磁化方向的相對(duì)排列：平行與反平行狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)低電阻態(tài)和高電阻態(tài)。實(shí)現(xiàn)這些明確的狀態(tài)需要精確控制各磁性層的磁化取向——參考層需在外部磁場(chǎng)下保持穩(wěn)定，而自由層則需對(duì)施加的激勵(lì)（如電場(chǎng)或電流）保持高響應(yīng)靈敏度。MTJ寫入機(jī)制歷經(jīng)多代發(fā)展：從早期基于奧斯特磁場(chǎng)的場(chǎng)驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)，到更高效的自旋轉(zhuǎn)移矩（STT）翻轉(zhuǎn)，再到近年來兼具高速與高能效優(yōu)勢(shì)的自旋軌道矩（SOT）驅(qū)動(dòng)技術(shù)。隨著自旋軌道電子學(xué)的進(jìn)展（如軌道矩與自旋矩協(xié)同效應(yīng)），新型翻轉(zhuǎn)機(jī)制不斷涌現(xiàn)，極大拓展了MTJ的性能邊界與應(yīng)用場(chǎng)景。迄今，CoFeB/MgO/CoFeB異質(zhì)結(jié)構(gòu)憑借高隧穿磁電阻（TMR）、強(qiáng)垂直磁各向異性（PMA）以及與工業(yè)制程的良好兼容性，仍占據(jù)主導(dǎo)地位。盡管學(xué)界廣泛探索替代材料，但鮮有體系能超越CoFeB/MgO基MTJ的綜合性能。然而，傳統(tǒng)鐵磁MTJ的性能與功能受限于鐵磁設(shè)計(jì)的多重固有限制：其一，TMR符號(hào)的固定性制約了器件的功能拓展與操作靈活性；其二，較高的翻轉(zhuǎn)電流與較慢的磁化反轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)阻礙了能效提升；其三，納米級(jí)MTJ的熱穩(wěn)定性調(diào)控愈發(fā)困難，導(dǎo)致保持力、可寫性與可讀性之間形成難以調(diào)和的三重矛盾。這些挑戰(zhàn)在鐵磁體系中因關(guān)鍵材料參數(shù)的相互制約而進(jìn)一步加劇——某一參數(shù)的優(yōu)化往往以犧牲其他性能為代價(jià)。盡管通過界面工程與材料改性對(duì)CoFeB/MgO基MTJ進(jìn)行了深度優(yōu)化，但其鐵磁設(shè)計(jì)的根本局限催生了人們對(duì)新型磁性材料與器件架構(gòu)的探索。在此背景下，亞鐵磁材料憑借其磁特性成為突破MTJ性能瓶頸的潛力候選者。與鐵磁體不同，亞鐵磁體由磁矩反向的多個(gè)磁性亞晶格構(gòu)成，可呈現(xiàn)磁化補(bǔ)償點(diǎn)、超快磁動(dòng)力學(xué)等新奇現(xiàn)象。在巨磁阻（GMR）與TMR器件中，亞鐵磁體因其復(fù)雜磁結(jié)構(gòu)常表現(xiàn)出反常的負(fù)磁阻行為。然而，早期亞鐵磁MTJ的研發(fā)面臨重大挑戰(zhàn)：包括自旋極化率較低、磁特性強(qiáng)溫度依賴性以及與勢(shì)壘層的兼容性問題，導(dǎo)致其TMR比值和實(shí)用價(jià)值受限。盡管如此，亞鐵磁材料為解決傳統(tǒng)MTJ的固有缺陷提供了機(jī)遇：其補(bǔ)償溫度為實(shí)現(xiàn)器件特性調(diào)控提供了額外自由度；超快磁化動(dòng)力學(xué)有望支持太赫茲級(jí)翻轉(zhuǎn)速度；亞晶格間的強(qiáng)交換耦合可增強(qiáng)熱穩(wěn)定性；通過成分設(shè)計(jì)與溫度工程可精確調(diào)控其凈磁化強(qiáng)度。這些特性使亞鐵磁體成為開發(fā)兼具增強(qiáng)功能與性能的新一代自旋電子器件的理想材料平臺(tái)。

圖1 器件結(jié)構(gòu)與輸運(yùn)性質(zhì)。

研究團(tuán)隊(duì)用磁控濺射在硅片上沉積了具有垂直磁各向異性的Ta/CoFeB/MgO/CoFeB/CoTb/Ta結(jié)構(gòu)，并且表征了其輸運(yùn)特性。亞鐵磁CoTb合金對(duì)上層的CoFeB起到了釘扎的作用，霍爾電阻在亞鐵磁的補(bǔ)償溫度上下具有不同的符號(hào)。

圖2 亞鐵磁磁性隧道結(jié)的磁阻特性。

通過光刻和Ar離子刻蝕技術(shù)將薄膜制作成MTJ器件后，經(jīng)電輸運(yùn)測(cè)量得到不同溫度下的TMR。器件在常溫具有+33%的TMR,在30K下具有-58%的TMR，TMR的符號(hào)在亞鐵磁的補(bǔ)償溫度上下發(fā)生變化。

圖3 補(bǔ)償溫度附近spin flop現(xiàn)象引起的子回線。

MTJ器件的TMR在高磁場(chǎng)下會(huì)出現(xiàn)額外的子回線，這是CoTb亞鐵磁合金在補(bǔ)償溫度附近磁矩出現(xiàn)非共線排列(spin flop)導(dǎo)致的。子回線出現(xiàn)的磁場(chǎng)隨溫度升高而升高，子回線的寬度隨著溫度升高而下降，這是由亞鐵磁的兩套磁矩的交換耦合強(qiáng)度和垂直磁各向異性隨溫度變化引起的。

圖4 亞鐵磁MTJ的熱驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)。

MTJ器件在不同的溫度下具有不同符號(hào)的TMR,這種特性允許器件實(shí)現(xiàn)在磁場(chǎng)下的熱驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)。在恒定的外加磁場(chǎng)下，改變器件的溫度，CoTb的磁矩會(huì)隨著溫度變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)磁阻的變化。這種新的磁阻切換手段展現(xiàn)一種全新的調(diào)控方式，有望拓寬自旋電子器件的操縱方式。

圖5 通過協(xié)同矩實(shí)現(xiàn)亞鐵磁MTJ中磁化的高效切換。

傳統(tǒng)的STT驅(qū)動(dòng)磁化翻轉(zhuǎn)具有高能耗和響應(yīng)慢等不足，SOT有著更好的能耗表現(xiàn)和更快的響應(yīng)速度，但是一般需要施加外磁場(chǎng)輔助翻轉(zhuǎn)。將二者結(jié)合的電驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)方式可以集合二者的優(yōu)點(diǎn)，克服二者的缺點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)中，將二者結(jié)合的協(xié)同矩可以實(shí)現(xiàn)更低能耗的無場(chǎng)翻轉(zhuǎn)——僅需SOT電流密度JSOT = 5 MA cm?2并輔以4.1%的微量STT電流即可實(shí)現(xiàn)MTJ的全電學(xué)操控。這種創(chuàng)新的亞鐵磁MTJ架構(gòu)為開發(fā)具有操作靈活性和性能指標(biāo)的新一代自旋電子器件奠定了全新平臺(tái)。

同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院朱偉博士為論文一作，同濟(jì)大學(xué)教授丘學(xué)鵬、周仕明，燕山大學(xué)教授翟昆為論文通訊作者。

該工作中通過使用 TuoTuo Technology 的無掩模光刻機(jī)完成了器件制備工藝。該項(xiàng)研究得到了中國國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，國家科技創(chuàng)新基金和中國自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：

doi.org/10.1002/adfm.202505415