Advanced Electronic Materials: 氧空位调控BFO多铁异质结的有效自旋霍尔角

电子除了电荷之外的另一种本征属性是自旋。电子的自旋一般有向上和向下两个取向,以磁矩性质表现出来。在自旋电子学的研究中,如何通过电学方法有效调控磁性材料的磁矩和自旋是需要解决的关键问题之一。电学调控主要分为电压和电流两种手段,前者是利用磁电耦合、压电效应等方法进行调控;而后者则是通过自旋流和局域磁矩的相互作用进行调控。其中,自旋轨道转矩(SOT)是一种响应快、易操作和高集成化的有效电流调控方法。SOT主要起源于自旋霍尔效应和界面Rashba效应。如何有效调控SOT是自旋电子学的研究热点之一。

迄今为止,有少量研究者初步探索了极化场对SOT效应的影响。中国科学院半导体研究所王开友课题组利用Pb (Mg1/3Nb2/3)0.72Ti0.28O3晶体的面内极化场梯度实现了电学调控SOT;清华大学潘峰和宋成课题组则利用离子液滴静电场调控SOT。这些方法调控SOT的效果很明显,但也面临着集成困难、需要低温调控、多次重复调控性差等挑战。

北京科技大学姜勇课题组首次将多铁材料BiFeO3(BFO)和SOT相结合,在BFO基异质结中同时实现了良好的垂直磁各向异性和SOT诱导磁化翻转。在研究者所制备的BFO异质结中,SrTiO3 (STO) /SrRuO3/BFO/Al2O3/Pt/Co/Pt/Ta 异质结 (简称S-BFO hetero) 和STO/BFO/Al2O3/Pt/Co/Pt/Ta 异质结 (简称BFO hetero) 表现出方向相反的自发极化。BFO在不同极化方向下氧空位的分布不同,即自发极化影响了表层BFO中氧空位的数量。由于异质结的氧空位分布差异,S-BFO hetero与BFO hetero两种异质结的SOT翻转磁化的临界电流密度相差近三倍,相应的有效自旋霍尔角变化了272%。在此基础上,研究者进一步模拟了上述极化场调控SOT在存储和逻辑器件中的应用。该研究利用极化场调控氧空位和SOT,为电学调控SOT提供了一种崭新、可行的思路,开拓了一种将自旋电子学和多铁材料结合的新方向。相关论文在线发表在最新Advanced Electronic Materials 上。