近日，北京航空航天大學集成電路科學與工程學院趙巍勝教授和聶天曉教授團隊在室溫二維磁性自旋軌道矩領域取得重要進展。團隊利用分子束外延方法成功制備了高質(zhì)量全二維異質(zhì)結Bi2Te3/Fe3GeTe2，并實現(xiàn)了室溫下的自旋軌道矩（SOT）驅(qū)動的磁化翻轉，SOT效率達到2.69，翻轉電流密度為2.2×106 A/cm2。其中拓撲絕緣體Bi2Te3不僅提高了磁性層Fe3GeTe2 (FGT)的居里溫度，還可作為自旋電流源通過界面交換耦合使FGT實現(xiàn)磁化翻轉。此工作成功實現(xiàn)了室溫下全二維體系的SOT磁化翻轉，為實現(xiàn)室溫全二維范德華自旋電子器件的應用奠定了基礎。2023年8月24日，相關研究成果以“Room temperature energy-efficient spin-orbit torque switching in two-dimensional van der Waals Fe3GeTe2 induced by topological insulators”為題在線發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）期刊。

磁隨機存儲器（MRAM）因其具有非易失性、高密度和低功耗等優(yōu)點而成為解決傳統(tǒng)半導體存儲器性能瓶頸的替代方案。相比自旋轉移矩（STT）寫入方式，自旋軌道矩（SOT）寫入方法不會破壞隧穿層，且可以實現(xiàn)更快的操作速度、更好的耐久性和更高的能效。因此，SOT驅(qū)動磁化翻轉的寫入方式將成為下一代MRAM的主要寫入方式。二維磁性材料兼具二維材料高集成度和自旋電子材料低功耗的優(yōu)點，因此構筑新型的二維SOT-MRAM器件，有望突破“尺寸微縮”和“功耗墻”兩大瓶頸，實現(xiàn)更高性能的新型存儲器件。

由于維度效應的限制，二維磁性材料難以在較高溫度下維持其鐵磁性，研究表明，可以通過界面效應等方法將二維磁性材料FGT的居里溫度提高到室溫以上，因此FGT成為探索二維體系中SOT驅(qū)動磁化翻轉的理想材料之一。已有研究人員利用Pt作為自旋電流源實現(xiàn)了FGT的SOT驅(qū)動磁化翻轉，然而其工作溫度都低于室溫（<200 K）。此外，全范德華異質(zhì)結構可以提供高自旋透過率從而實現(xiàn)更高的SOT效率。因此，迫切需要構建能在室溫下實現(xiàn)低功耗SOT翻轉的全范德華異質(zhì)結構，以滿足未來的二維自旋電子器件的應用。

為了解決這一難題，研究團隊利用分子束外延方法成功制備了高質(zhì)量晶圓級全范德華異質(zhì)結Bi2Te3/Fe3GeTe2，并通過表征其磁學和電學特性證明了拓撲絕緣體Bi2Te3可以通過鄰近效應將磁性層FGT的居里溫度提高到室溫以上，這為進一步研究全二維體系的室溫SOT翻轉奠定了基礎。

進一步地，基于以上具有室溫磁性的全范德華異質(zhì)結構，研究團隊成功實現(xiàn)了室溫下電流驅(qū)動的SOT翻轉，并通過二次諧波測試得到室溫下SOT效率值高達0.7，且隨著拓撲絕緣體Bi2Te3厚度的減小，進一步提高至2.69。通過溫度依賴性實驗揭示了該異質(zhì)結構高的自旋電荷轉換效率主要歸因于全范德華結構界面高的自旋透過率及非平庸拓撲態(tài)。在Bi2Te3/Fe3GeTe2異質(zhì)結構中實現(xiàn)室溫SOT翻轉為未來實現(xiàn)室溫全二維范德華自旋電子器件奠定了重要基礎。

北航集成電路科學與工程學院博士生王海宇、助理教授張婕、加州大學洛杉磯分校吳昊為本論文的第一作者，趙巍勝教授、聶天曉教授為論文共同通訊作者。其他合作者還包括諾貝爾物理學獎得主、巴黎薩克雷大學Albert Fert教授，加州大學洛杉磯分校Kang L. Wang教授等。該工作獲得國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金等支持。