进展 | 利用层间DMI手性耦合作用实现无磁场下的垂直磁矩翻转和信息写入

在大数据时代几何爆发式增长的数据处理和存储需求是推动自旋电子学发展的主要驱动力，诸如云计算、移动消费类电子产品、人工智能、物联网等应用均需要速度更快、能耗更低、寿命更长的存储和计算芯片技术。而另一方面，经典CMOS芯片的性能已被开发的趋近其物理极限。因此人们对新型存储和运算技术的需求从未变得如此迫切和强烈。诸如磁随机存储器(MRAM)、相变存储器(PCRAM)、阻变存储器(ReRAM)和铁电存储器(FeRAM)等新兴存储技术应运而生。尤其指出MRAM作为目前唯一一种长寿命(擦写≥1015以上)、高速度(读写≤1ns量级)的非易失性存储器而备受关注。MRAM的核心基础单元是磁性隧道结(MTJ)，它依赖于两个铁磁层的磁矩状态(平行或反平行态)来存储二进制信息。通过隧穿磁电阻效应将反平行和平行的磁矩状态进一步翻译成微电子电路能够处理的高低电阻状态，完成信息写入和读取操作。而写入操作可通过各种物理方法实现，包括短脉冲磁场、脉冲电场、脉冲电流诱导的自旋转移力矩(STT)和自旋轨道力矩(SOT)等。不同写入方法在效率、速度、服役环境、技术成熟度上存在显著差异，第一代磁场驱型动小容量MRAM已经商用10年以上，用于航空航天等高可靠性的应用场景；工业界的第二代的平面STT-MRAM, 特别是工业界的第三代的具有垂直磁各向异性的p-STT-MRAM，已经具备规模化应用的能力；工业界第四代的SOT-MRAM因其在速度和寿命上的优势，有望应用于高附加值的缓存等领域，目前学界和工业界都在热点开发、方兴未艾。

图1.1995年至2022年典型MRAM设计的每个芯片容量(不包括全部)

自旋轨道力矩(SOT)效应的发现及SOT调控磁矩翻转和信息写入技术的发明，为MRAM的发展提供了新的思路，也赋予其更加丰富的功能、更加优异的性能。其中开发具有垂直磁各项异性磁存储单元的SOT-MRAM不仅具备垂直型p-STT-MRAM的数据非易失性、低能耗、CMOS兼容性、高热稳定性、抗辐射等优点，它还具备更高的速度、更长的寿命，适用于高速存储器件和可编程运算器件等。而现阶段开发SOT-MRAM芯片的挑战性难题之一是寻找简单的物理机制、与MRAM融合的材料体系、与CMOS兼容的加工方法来实现无外磁场辅助的纯脉冲电流及其SOT驱动垂直磁矩翻转和信息写入的有效技术途径。之所以这是一个难点就在于系统对称性的约束使得一个具有垂直磁各向异性的磁矩不能被一个水平极化的自旋流以确定的方式来实现180°的翻转，除非存在额外的对称性破缺因素。

图 2. 层间 DMI 系统的对称性破缺机制。图 1a 左侧中自旋ST 和 SB 相对于 Mir// 镜像时变为右侧的 ST' 和 SB'。由于层间DMI的存在，镜像反演后层间 DMI 能量是相反。这导致 Mir// 层间 DMI 的对称性破坏。然而，图 1b 左侧中ST 和 SB 在 Mir⊥ 操作后变为右侧的 ST' 和 SB'。在这种情况下，EDM' = EDM。保留了 Mir⊥ 镜像对称性。因此，需要一个额外的因素来打破 Mir⊥ 镜面对称性并确定最终的自旋向上或自旋向下状态。一种可行的方法是使用与 Mir⊥ 正交（或与 D 平行）的电流。

在前人研究中，这些对称性破缺的因素包括(1)不对称的原子结构如楔形结构、梯度材料和低旋转对称性的单晶材料等，还包括(2)不对称的磁结构如交换偏置结构、面内层固定的交换耦合结构(或T型磁结构)以及平面磁铁的偶极场偏置结构等。现阶段，只有欧洲微电子研究中心(IMEC)采用的偶极场偏置方法和中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心M02组开发的T型磁结构方法被真正用于垂直SOT-MTJ器件开发，其MRAM兼容性得到实验确认[Nat. Commun. 10 (2019) 233]和[Appl. Phys. Lett. 116, 162401 (2020)]；其他零磁场SOT驱动磁矩翻转的物理机制和技术途径暂未被实证与现有MRAM技术兼容。因此，为实现全电学、无外磁场SOT驱动的信息写入，仍然亟需探索和发现新的对称性破缺物理机制和更简单的MRAM兼容存储单元结构。

垂直磁各向异性多层膜如[Pt/Co]n多层膜，作为钉扎磁层，已在垂直STT-MTJ中获得重要应用。在这种多层膜中，熟知的磁耦合方式是Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY)相互作用，它使相邻的磁层通过非磁间隔层进行铁磁或反铁磁耦合。除了RKKY相互作用，最近，有理论计算表明在铁磁(FM)/非磁(NM)/铁磁(FM)三明治结构中，非磁层还能中介铁磁层之间的手性磁耦合--层间Dzyaloshinskii–Moriya作用(DMI)。两个铁磁层的自旋方向用ST和SB表示。它们的耦合能量形式通过EDM= -D·(ST×SB)来表示。矢量D表征了层间DMI的大小和方向。这种由DMI中介的手性层间耦合效应有望催生出复杂的三维拓扑磁结构。

图 3. 由层间 DMI 实现的无磁场下 SOT 翻转垂直磁矩(a) SOT 翻转测量图。同时施加 Ix 和 Iy 以调整电流密度相对于D矢量的方向 (φj)。φj = 0 定义为平行于 D 的方向。（b）铁磁耦合样品 S1 在不同 φj 值下的无磁场下 SOT 磁矩翻转。磁化翻转曲线在 φj = 90 和 270° 时消失。(c) S1样品中磁矩翻转的电阻变化 (ΔR) 和临界电流密度 (Jc) 随角度 φj 的变化。(d, e) 人工反铁磁样品 S2的无磁场下 SOT 翻转，d、e分别对应 j//D 和 j⊥D的情况。

M02组博士生何文卿、副研万蔡华和韩秀峰研究员等人利用磁控溅射技术制备了具有优良垂直磁各向异性的[Pt/Co]n多层膜及其人工反铁磁薄膜[Pt/Co]n/Pt/Ir/Pt/[Pt/Co]n结构。实验证实了上述能与MRAM存储单元兼容的多层膜结构中存在很强的层间DMI手性耦合作用。借助这一效应，可以利用水平磁场来敏感地影响薄膜中垂直磁矩的磁化行为。在此基础上，层间DMI矢量还有效降低了系统对称性，使得在该系统中零磁场SOT驱动垂直磁矩翻转成为可能。当产生SOT的电流密度方向与D矢量方向平行时，垂直磁矩在层间DMI和SOT的共同合作用下实现了180°的确定性翻转，宏自旋模型计算结果和微磁学模拟可以定性和定量地重复实验观测。这种层间手性耦合机制—即层间DMI机制导致的对称性破缺及其诱导的零磁场SOT翻转，对推动纯电学、高密度、高热稳定性、CMOS兼容的SOT-MRAM芯片的研发，提供了新的器件物理和存储单元材料基础。相关工作以封面文章的形式发表在《纳米快报》杂志上。同济大学的刘要稳教授课题组为该项工作提供了微磁学模拟的支持；俄罗斯国立远东大学的A. V. Ognev教授等提供了磁光科尔效应测量和理论诠释方面的协助。该项研究致谢科技部项目[MOST Grant No. 2017YFA0206200]、基金委［51831012, 11974398, and 12061131012］和中科院的项目经费支持。

Field-Free Spin-Orbit Torque Switching Enabled by the Interlayer Dzyaloshinskii-Moriya Interaction. W.Q. He, C. H. Wan, C. X. Zheng, Y.Z. Wang, X. Wang, T. Y Ma, Y.Q. Wang, C.Y. Guo, X.M. Luo, Maksim E. Stebliy, G.Q. Yu, Y.W. Liu, Alexey V. Ognev, Alexander S. Samardak, X. F. Han, Nano Letters 22 (2022) 6857.

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编辑：草莓熊

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