Nature Nanotechnology：新加坡國立大學在“氧化物自旋電子學”領域取得突破

【研究意義】

近日，新加坡國立大學材料科學與工程系Chen Jingsheng課題組在“氧化物自旋電子學”領域取得重要進展。其研究工作首次在氧化物異質結中實現了電流驅動磁化翻轉。文章以“Current-induced magnetization switching in all-oxide heterostructures”為題發表在最新一期的《Nature Nanotechnology》雜志上。文章的合作單位包括新加坡國立大學，上海大學以及河北大學。Liu Liang，Qin Qing，Lin Weinan 三人為文章共同第一作者。通訊作者為 Chen Jingsheng。

進入21世紀以來，飛速發展的自旋電子學技術旨在研究高速、低功耗的電子元器件。與傳統電子學利用電子的電荷不同，自旋電子學利用電子的自旋作為信息傳輸載體。在純自旋流的情況下，傳輸通道沒有耗散，即不會發熱；同時，得益于自旋相干效應，信息具有很快的傳輸速度。在自旋電子學中，磁信息的寫入，傳輸和讀取構成三要素。在最早的研究中，磁化翻轉或者操控只能利用外加磁場，比如硬盤的寫頭。這種方式的局限在于寫速度受限于寫頭的移動速度。在上個世紀末，Slonczewski和Berger等提出，可以利用自旋極化電流產生的轉移矩來翻轉磁化方向，這種效應被稱之為自旋轉移矩（STT）效應。這開啟了電流控制磁矩的研究序幕。2011年到2012年，Liu luqiao等人提出可以利用Pt，Ta等重金屬材料的自旋霍爾效應（SHE）來產生自旋極化，這種自旋極化傳輸到鄰近的鐵磁層(Co)就可以產生STT，驅動鐵磁層的磁化翻轉。同期Miron等也在Pt/Co/AlO_x?的結構中發現了電流驅動的磁化翻轉，并將其歸因于界面對稱破缺引起的Rashba效應。而后續眾多研究對這種重金屬層/鐵磁層（HM/FM）的異質結構中的物理機制做了深入探索，并將這種借助強的自旋軌道耦合效應（SOC）產生的有效磁場作用于磁矩的過程稱之為自旋軌道矩（SOT）。長期以來，對于SOT的研究主要集中在過渡金屬及其合金以及拓撲絕緣體。而在另一大類的材料體系，過渡金屬氧化物，相應的研究工作比較少。過渡金屬氧化物是一個很大的材料體系，有著豐富的物理性質，比如強的SOC和不可忽略的電子關聯作用。系統地研究過渡金屬氧化物體系的SOT不僅具有重大的學術價值，也可能為以后的市場應用做鋪墊。

過渡金屬氧化物與金屬體系一樣，也有豐富的鐵磁和非鐵磁成員。在過往二十年，為了實現 “氧化物自旋電子學”的目標，研究者在以下三個領域進行了有效地嘗試：1.錳氧化物等的龐磁阻以及由此衍生的高自旋極化的自旋注入和探測器件，比如氧化物磁性隧道結；2. 多鐵氧化物中的電壓控制磁化方向，比如鉍鐵氧；3.在氧化物鐵磁材料中，通過壓電效應控制的磁各向異性或者磁疇動力學。這些研究對于了解過渡金屬氧化物的豐富物性提供了依據，同時也為潛在應用鋪平了道路。而在最近幾年研究者們開始研究另一種實現“氧化物自旋電子學”的途徑，即利用過渡金屬氧化物的自旋軌道耦合（SOC）性質實現對磁性的調控。一方面，研究者在尋找SOC強的過渡金屬氧化物，研究的是 氧化物/鐵磁金屬 異質結（ITO/Py，LAO/STO/Py，IrO₂/Py， SrIrO₃/Py，Sr₂IrO₄/Py，SrRuO₃/Co）的自旋-電荷轉換效應（包括反向自旋霍爾效應ISHE和自旋矩鐵磁共振效應ST-FMR）。另外一方面，研究者也在尋找合適的磁性氧化物來替代鐵磁金屬層，研究的是 重金屬/磁性氧化物 異質結（Pt/YIG，Pt/TmIG，Pt/LSMO，Pt/NiO，Pt/Fe₂O₃，Pt/Cr₂O₃）的電荷-自旋轉換效應（包括電流驅動磁化翻轉等）。然而由于電阻率的不匹配以及界面效應，金屬氧化物異質結的方案并不利于自旋電流的傳輸或者SOT效率的提高。基于此，設計出全氧化物的異質結并實現SOT驅動的磁化翻轉成為了一個新的挑戰。

【成果簡介】

新加坡國立大學Chen Jingsheng教授帶領的團隊主要研究方向包括：高磁各向異性材料在硬盤的應用；多鐵材料構建的鐵電/鐵磁異質結；在新型金屬和氧化物體系中利用自旋轉移矩和自旋軌道矩實現電流驅動磁化翻轉。在自旋電子學方面，該團隊以金屬體系為基礎研究了重金屬/鐵磁金屬異質結(Lin et al., 2018 NPG Asia Materials)，二維材料/鐵磁金屬異質結（Xie et al.,?2019 Advanced?Materials），以及反鐵磁（Zhou et al.,?2019 Science?Advances）等體系的電荷-自旋轉移效應。而在氧化物體系中，該團隊從2013年開始，對兩個經典的磁性氧化物LSMO和SrRuO₃進行了詳細的研究。在 LSMO中實現了極低Gilbert阻尼系數（Qin et al.,?2017 APL）。在SrRuO3中，利用控制應力（通過氧壓，膜厚和襯底等）來調控磁晶各向異性（Lu et al., 2013 JAP; 2013 PRB; 2015 Scientific Report）。在此基礎上，設計并制備了高質量外延的SrIrO₃/SrRuO₃異質結(本文工作)，其中SrIrO₃由于很強的SOC可以在通電流的情況下產生非平衡的自旋積累，并以自旋電流的方式進入相鄰的SrRuO3磁性層產生SOT效應。該團隊通過輸入電流的極性控制SOT，實現磁化方向定向反轉。更重要的是，在SrRuO₃的薄膜生長時通過控制氧壓，可以連續調節磁化易軸（EA）偏離垂直方向的角度。這打破了SOT的旋轉對稱性，從而實現了零外磁場的條件下電流驅動的磁化翻轉。這種通過生長控制磁化方向從而實現零磁場SOT翻轉的方式，具有重要的應用前景。與傳統的通過界面反鐵磁交換偏置實現零場SOT翻轉相比，SrIrO₃/SrRuO₃的零場SOT翻轉不是界面效應，并且可以抵抗更高的外磁場（1000 Oe）干擾，同時具有更好的耐用性。此外，通過二次諧波方法，該團隊測定了SrIrO₃/SrRuO₃體系的SOT轉換效率高達0.58-0.86，超過了金屬異質結的對應值。同時，他們還在STO（110）襯底上的SrIrO₃/SrRuO₃異質結中發現了各向異性的SOT效應，驗證了前人的理論。

該工作首次在氧化物異質結實現了電流驅動磁化翻轉。對此，審稿人給出了高度評價，認為這是一個非常及時的研究結果，其很好地拓寬了SOT器件的材料范圍。并且，零場SOT 翻轉的實現對于SOT器件有著至關重要的作用，在低功耗自旋電子器件方面有很好的應用前景。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41565-019-0534-7

【圖文導讀】

圖示?電流驅動磁化翻轉在全氧化物異質結中的實現

本文由新加坡國立大學Chen Jingsheng課題組供稿。

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