中國科學(xué)院微電子所在半導(dǎo)體器件物理領(lǐng)域獲進展

傳統(tǒng)的自旋信息器件主要基于對鐵磁材料中磁矩的精確操控與探測，但由于雜散場、較小的磁各向異性場等本征缺陷的存在，使得鐵磁自旋信息器件面臨諸多挑戰(zhàn)。具有零凈磁矩的反鐵磁材料具有超快的自旋動力學(xué)特征、極小的雜散場和較強的抗外場干擾能力，在超高密度信息存儲和超高速度信息處理方面具有巨大的應(yīng)用潛力，被認(rèn)為是下一代自旋信息器件非常重要的候選載體材料。

拓?fù)浞磋F磁材料(如典型代表Mn3Sn)集合了常規(guī)反鐵磁體中零雜散場和超快自旋動力學(xué)特征、以及拓?fù)洳牧现蟹瞧接雇負(fù)淠軒дT導(dǎo)的大磁輸運特性等優(yōu)勢，為反鐵磁自旋信息器件的實際應(yīng)用提供了非?？尚械慕鉀Q方案。其中，如何利用全電學(xué)方法有效操控、探測反鐵磁的磁化狀態(tài)，以及設(shè)計并制備基于反鐵磁材料的新型拓?fù)渥孕Y(jié)構(gòu)是其在信息存儲或自旋邏輯器件應(yīng)用中亟待解決的關(guān)鍵問題。

最近，半導(dǎo)體所半導(dǎo)體超晶格國家重點實驗室的王開友課題組與南方科技大學(xué)盧海舟教授合作，在無重金屬電流注入的條件下，利用Mn3Sn自身非平衡局域自旋積累實現(xiàn)了非共線反鐵磁外爾半金屬的無外場磁化翻轉(zhuǎn)，并進一步實現(xiàn)了全電控反鐵磁多態(tài)翻轉(zhuǎn)(如圖1所示)。

通過與鐵磁/重金屬異質(zhì)結(jié)、共線反鐵磁/重金屬異質(zhì)結(jié)的無外場翻轉(zhuǎn)中讀寫效率比較發(fā)現(xiàn)，Mn3Sn具有更高的讀寫效率(反常霍爾電阻率/臨界翻轉(zhuǎn)電流密度)，證明Mn3Sn是一種高效且穩(wěn)定性高的反鐵磁材料(如圖2所示)。最后，與Mn3Sn異質(zhì)結(jié)薄膜相比較，理論和實驗表明純Mn3Sn具有最大的對稱性破缺，驗證了Mn3Sn全電控磁化翻轉(zhuǎn)的物理來源。

該工作解決了具有大讀出信號的反鐵磁材料難以利用全電學(xué)方法調(diào)控的難題，為設(shè)計和研制全電控反鐵磁新功能器件和芯片的發(fā)展提供了可行的方案。

圖1 Mn3Sn展現(xiàn)出巨大的反常霍爾效應(yīng)，基于非平衡自旋流積累實現(xiàn)了純Mn3Sn磁化翻轉(zhuǎn)，在此基礎(chǔ)上演示了二態(tài)翻轉(zhuǎn)和多態(tài)翻轉(zhuǎn)。

圖2 非共線反鐵磁Mn3Sn無外場翻轉(zhuǎn)讀寫效率與其他有序磁性材料/重金屬異質(zhì)結(jié)無外場翻轉(zhuǎn)的比較。結(jié)果表明純Mn3Sn全電控磁化翻轉(zhuǎn)的效率更高。 該工作以“All-electrical switching of a topological non-collinear antiferromagnet at room temperature”為題發(fā)表在National Science Review 10, nwac154(2023)(DOI: 10.1093/nsr/nwac154)。半導(dǎo)體所王開友研究員和南方科大盧海舟教授為共同通訊作者，半導(dǎo)體所博士后鄧永城、劉雄華副研究員和南方科大的博士生陳毅遠(yuǎn)、杜宗正副教授為共同第一作者。 為進一步探索基于非共線反鐵磁Mn3Sn薄膜的新型拓?fù)渥孕棙?gòu)，王開友課題組與半導(dǎo)體所超晶格室的常凱院士課題組和中科院合肥強磁場中心的陸輕鈾教授課題組合作，在Mn3Sn/Pt異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，通過調(diào)節(jié)界面Dzyaloshinskii–Moriya相互作用的大小，首次在室溫下實現(xiàn)了Mn3Sn自旋織構(gòu)從共面倒三角型到Bloch型斯格明子(skyrmions)的演化。 此外，在Mn3Sn/Pt系統(tǒng)中，團隊還發(fā)現(xiàn)了溫度誘導(dǎo)的斯格明子-反鐵磁類半子（meron-like）自旋織構(gòu)的非常規(guī)轉(zhuǎn)變(轉(zhuǎn)變溫度大約220 K)（如圖3所示）。理論計算表明，這種拓?fù)渥孕棙?gòu)的轉(zhuǎn)變與Mn3Sn晶胞內(nèi)籠目(kagome)亞結(jié)構(gòu)之間反鐵磁交換相互作用的溫度依賴性有關(guān)。 該工作不僅證明了非共線反鐵磁異質(zhì)結(jié)系統(tǒng)中豐富多樣的拓?fù)渥孕棙?gòu)，而且為利用應(yīng)變或插層等手段調(diào)節(jié)層間相互作用來構(gòu)筑新型拓?fù)渥孕棙?gòu)提供了可行的方案。

圖3 設(shè)計制備的非共線反鐵磁/重金屬（Mn3Sn/Pt）異質(zhì)結(jié)中，利用界面DMI效應(yīng)誘導(dǎo)出室溫斯格明子以及220 K附近發(fā)現(xiàn)的斯格明子-反鐵磁類半子的轉(zhuǎn)變。

該工作以“Topological spin textures in a non-collinear antiferromagnet system”為題發(fā)表在Advanced Materials 2211634(2023)(DOI：10.1002/adma.202211634)。半導(dǎo)體所王開友研究員、中科院合肥強磁場中心陸輕鈾教授和半導(dǎo)體所劉雄華副研究員為共同通訊作者，半導(dǎo)體所劉雄華副研究員，張東副研究員和中科院合肥強磁場中心的馮啟元副研究員為共同第一作者。該工作得到了常凱院士在理論上的悉心指導(dǎo)。

以上工作得到了科技部重點研發(fā)計劃、中科院先導(dǎo)專項、國家自然科學(xué)基金、以及北京市自然科學(xué)基金重點研究專題等基金的支持。

審核編輯 ：李倩