2021年7月27日，《自然·通讯》（Nature Communications）期刊在线发表了英国威廉希尔公司集成电路与工程学院张悦副教授、赵巍胜教授课题组的最新科研进展《Field-free spin-orbit torque-induced magnetization switching in a ferrimagnetic layer with vertical composition gradient》。该工作首次在面内对称的单层磁性材料中实现了无外磁场辅助的自旋轨道矩（SOT）驱动垂直磁矩翻转，为实现高密度、高速、低功耗自旋电子器件提供了一条新的技术路线。

进入“后摩尔时代”，自旋转移矩磁随机存储器（STT-MRAM）作为代表性新型非易失存储器[1]，在航空航天、物联网、可穿戴设备等多个领域具有突出的应用潜力。然而，面向大规模商用，STT-MRAM仍受困于写入能耗高、写入次数受限等瓶颈。针对以上难题，北航团队首先基于SOT效应提出多种耦合方式，如SOT+STT[2]、SOT+电压调控磁各向异性（VCMA）[3]等，可以有效降低功耗。

为进一步提高器件写入速度，反铁磁[4]和亚铁磁材料近年来成为研究焦点。其中，亚铁磁材料兼具铁磁材料的易观测性和反铁磁材料的超快动力学特性[5]，研究利用SOT翻转垂直磁化的亚铁磁材料对发展下一代高性能自旋芯片有重要意义[6]。然而传统方式下，SOT驱动垂直磁矩翻转通常需要引入外磁场打破其反演对称性，这严重影响自旋电子器件的能效和可集成性。

北航团队在CoTb亚铁磁合金薄膜中创新地引入了垂直方向的元素浓度梯度（图1），利用SOT和Dzyaloshinskii-Moriya interaction（DMI）效应实现了无外磁场辅助的垂直磁矩翻转。实验表明CoTb薄膜内部的有效自旋霍尔角和浓度梯度存在正相关关系（图2），当浓度梯度达到0.07时，其有效自旋霍尔角能达到0.06。此外，浓度梯度也增强了CoTb薄膜内部的体DMI效应，该效应在磁矩翻转过程中发挥了重要作用。结合SOT和DMI，成功实现了无外磁场辅助的垂直磁矩翻转（图3），磁矩临界翻转电流密度在10¹⁰A/m²量级，相较于传统重金属/磁性层的结构降低了一个数量级。微磁学仿真研究进一步揭示了该翻转过程（图4）：DMI有效场诱导器件边缘的磁矩倾斜，并在SOT的同步作用下形成磁畴壁，SOT驱动磁畴壁位移完成整体磁矩翻转。

本工作中的翻转机制无需外部SOT层和辅助磁场，极大简化了器件结构设计；并且不需要面内结构的对称破缺，与晶圆级器件制备工艺兼容，对大幅提升SOT自旋电子器件性能并促进其实际应用具有重要意义。

图1具有垂直元素浓度梯度的亚铁磁合金薄膜结构

图2 CoTb薄膜内部自旋霍尔角与浓度梯度之间的关系

图3无外磁场辅助的SOT+DMI驱动垂直磁矩翻转

图4微磁学仿真下磁矩翻转过程

该研究克服疫情带来的不利影响，与美国西北大学Pedram Khalili教授和意大利梅西纳大学Giovanni Finocchio教授团队展开国际合作。我院博士生郑臻益和张悦副教授是论文的共同第一作者；张悦副教授、赵巍胜教授、美国西北大学Pedram Khalili教授和意大利梅西纳大学Giovanni Finocchio教授为本文通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、国家重大科技专项等项目的支持。

近年来，北航集成电路与工程学院相关课题组瞄准国家重大战略需求，致力于超低功耗自旋电子器件的技术研发，在材料制备[6]、物理机制[2-4,7]、器件工艺[1]、电路设计和系统架构优化[5,8]等层面都取得了一系列进展，已经在《自然·电子》（NatureElectronics）、《自然·纳米技术》（NatureNanotechnology）、《自然·通讯》（Nature Communications）三个国际顶级期刊上发表高水平论文8篇。

文章原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-24854-7

Z.Zheng, et al. Field-free spin-orbit torque-induced switching of perpendicular magnetization in a ferrimagnetic layer with a vertical composition gradient.Nat.Commun.12, 4555 (2021).

参考文献：

1. M. Wang, et al.Current-induced magnetization switching in atom-thick tungsten engineered perpendicular magnetic tunnel junctions with large tunnel magnetoresistance.Nat. Commun.9, 1-7 (2018).

2. M. Wang, et al.Field-free switching of a perpendicular magnetic tunnel junction through the interplay of spin–orbit and spin-transfer torques.Nat. Electron.1, 582-588 (2019).

3. S. Peng, et al.Field-free switching of perpendicular magnetization through voltage-gated spin-orbit torque.IEEE Int. Electron Devices Meet. (IEDM)28.6.1-28.6.4 (2019).

4. S. Peng, et al.Exchange bias switching in an antiferromagnet/ferromagnet bilayer driven by spin–orbit torque.Nat. Electron.3, 757-764(2020).

5. Z. Guo, et al.Spintronics forenergy-efficientcomputing:anoverview andoutlook.Proc. of IEEE109, 1398-1417 (2021).

6. Z. Zheng, et al.Enhanced Spin-Orbit Torque and Multilevel Current-Induced Switching in Heterostructure.Phys. Rev. Appl.12, 044032 (2019)

7. Z. Zhang, et al.Skyrmion-based ultra-low power electric-field-controlled reconfigurable (SUPER) logic gate.IEEE Electron Dev. Lett.40, 1984-1987 (2019)

8. Y. Zhang, et al.Time-domain computing in memory using spintronics for energy-efficient convolutional neural network.IEEE Trans. Circuits Syst. I, Reg. Papers68, 1193-1205 (2021)