通過自旋軌道力矩(SOT)實現(xiàn)電流驅動磁化翻轉的技術，憑借其響應快、功耗低、穩(wěn)定性高等核心優(yōu)勢，已成為發(fā)展下一代非易失性存儲器、存內計算單元及自旋邏輯器件的重要物理基礎。基于自旋軌道力矩效應構建的磁隨機存儲器(SOT-MRAM)被認為具有突破馮·諾依曼架構，重塑高性能存儲技術格局的潛力。在自旋軌道力矩器件中，電流經由強自旋軌道耦合材料生成自旋流，對鄰近鐵磁層施加力矩并觸發(fā)磁化翻轉。其中自旋軌道力矩的大小直接決定了磁化翻轉的效率與可靠性，因此實現(xiàn)自旋軌道力矩大小的調控與增強對器件的操作速度、功耗及邏輯架構設計起著重要作用。目前，基于多物理場耦合機制實現(xiàn)自旋軌道力矩的調控面臨調控范圍受限與驅動電壓高的瓶頸，同時現(xiàn)有調控手段難以與現(xiàn)行硅基集成電路工藝兼容，進一步制約了可調自旋軌道轉矩器件的性能功耗表現(xiàn)及其實用化、集成化發(fā)展。
 

　　針對上述科學問題，西安交通大學精密微納制造技術全國重點實驗室，電子科學與工程學院劉明教授團隊魯琦及合作者基于硅基鋯鈦酸鉛[Pb(Zr, Ti)O3,PZT]薄膜實現(xiàn)了NiFe/PtOx結構自旋軌道轉矩器件的小電壓高效自旋調控。通過設計器件結構在硅基壓電薄膜上施加電壓對NiFe/PtOx自旋軌道轉矩進行原位調控，調控效果具有良好的穩(wěn)定性與可回復性。在30 V的小電壓下最高實現(xiàn)了NiFe/PtOx自旋軌道力矩450%的增強。
 

　　圖1. 集成化高性能自旋軌道力矩器件及其調控(a)可調自旋軌道力矩器件結構示意圖(b) 外加電壓對PtOx自旋自旋軌道力矩效率的增強調控(c)磁隨機存儲原型器件設計(d)調控電壓對磁化翻轉速度與性能的提升。

 

　　基于壓電薄膜的器件設計在滿足硅基集成化的同時，相比塊體材料可在小電壓下驅動產生更高的電場強度，進而實現(xiàn)“小電壓”與“高調諧”的有效平衡。第一性原理計算表明電場誘導的應力與離子遷移可顯著改變PtOx費米能級處的貝里曲率，進而實現(xiàn)對自旋-電荷轉化效率的提升與自旋軌道力矩的增強。結合電致應力對磁各向異性的有效調控，原型器件可實現(xiàn)對磁化翻轉速度與功耗表現(xiàn)的顯著提升。
 

　　該研究結果以“一種硅基CMOS工藝兼容的高可調諧自旋軌道力矩器件”(A Widely Tunable Spin-Orbit Torque Device Through the Silicon Compatible CMOS Platform)為題，在國際著名期刊《先進材料》(Advanced Materials)上發(fā)表，西安交通大學為該論文的唯一署名單位。論文第一作者為精密微納制造技術全國重點實驗室、電子科學與工程學院助理教授魯琦，以及材料科學與工程學院助理教授劉福柱。劉明教授、彭斌教授和宗洪祥教授為論文的通訊作者。該工作得到精密微納制造技術全國重點實驗室，以及國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國博士后基金特別資助等項目的支持。