单向自旋霍尔磁电阻效应（USMR）的反对称性对于研发磁性随机存储器（MRAM）具有重要意义。然而，传统体系在室温下的USMR效应较弱，导致信噪比低，限制了其实际应用的可靠性和有效性，因此亟需突破这一挑战。
近日，兰州大学物理学院薛德胜教授和席力教授课题组在FeNi/Pt/Bi2Se3异质结构中，实现了室温下USMR的显著增强，并基于此开发了高性能的USMR-MRAM器件。研究成果以“Large unidirectional spin Hall magnetoresistance in FeNi/Pt/Bi2Se3 trilayers by Pt interfacial engineering”为题发表于《自然通讯》。
通过系统评估不同Pt厚度下的自旋轨道转矩（SOT）效率、自旋霍尔磁电阻和USMR比率，发现当Pt厚度约为1.5纳米时，室温下的USMR比率达到最优，较之前报道的值提高了一个数量级，达到了30.6 ppm/MA/cm²。这一显著增强的USMR效应得益于Pt的引入，它不仅保留了Bi2Se3的拓扑表面态，还产生了额外的Rashba表面态，同时增强了电子-磁子散射。这些发现得到了第一性原理计算和布里渊光散射实验的支持。
图1：（a）插入Pt层后拓扑表面态和Rashba表面态的示意图，(b) 展示了利用脉冲电流产生的y方向极化的自旋累积σ以及随后产生的自旋轨道力矩（左图）使MRAM器件的磁矩M沿y方向的写入过程，以及通过施加交流电检测二次谐波电压的读取过程（右图），(c) 不同体系中室温下USMR效应的比较。
利用显著的USMR效应，作者成功研制出一款双端口MRAM器件，该器件展现出低能耗、纳秒级快速写入以及高信噪比的优异读取特性。尤为突出的是，USMR-MRAM器件在高达70°C的温度下仍能维持卓越性能，彰显了其在广泛环境条件下的高度可靠性和应用潜力。高质量Bi₂Se₃拓扑绝缘体薄膜的磁控溅射制备方法和双端口设计，确保了与现有大规模三端口SOT-MRAM生产工艺的兼容性和优越性。
兰州大学物理学院薛德胜教授和席力教授为该论文的通讯作者，2023级博士生张其为该论文的第一作者。论文合作者包括兰州大学陶琨副教授、贾成龙教授、徐国福博士生、柴国志教授、崔宝山青年研究员、左亚路副教授和杨德政教授。该研究工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金重大研究计划重点项目、”111”计划和甘肃省自然科学基金的资助。
文章链接
https://www.nature.com/articles/s41467-024-53884-0
