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半导体所在横向自旋轨道矩诱导磁化定向翻转的研究中取得新进展

2020-07-22

 

自旋(xuan)轨道(dao)矩(spin-orbit torque, 以下(xia)简称SOT)是近年来发(fa)展起来的(de)(de)(de)新一代(dai)电流驱动磁(ci)(ci)化翻转技术(shu),具有(you)信息写入速度(du)快、功耗低、耐(nai)久度(du)高、稳定性(xing)好等独特优(you)势(shi),是未来非易失性(xing)存(cun)储器的(de)(de)(de)理想(xiang)选(xuan)择(ze)方案之一。通常(chang),非磁(ci)(ci)/铁(tie)(tie)磁(ci)(ci)双层(ceng)膜结构中由SOT所产生(sheng)的(de)(de)(de)有(you)效磁(ci)(ci)场(chang)(chang)指向(xiang)面内方向(xiang),因此对(dui)于垂直磁(ci)(ci)化的(de)(de)(de)铁(tie)(tie)磁(ci)(ci)层(ceng)而言,需要引入外加磁(ci)(ci)场(chang)(chang)等额外的(de)(de)(de)对(dui)称性(xing)破缺才能实现(xian)定向(xiang)的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)化翻转。如何(he)通过(guo)原理创新,突(tu)破零磁(ci)(ci)场(chang)(chang)下(xia)SOT诱导磁(ci)(ci)化定向(xiang)翻转的(de)(de)(de)难题,在当今自旋(xuan)电子学领域具有(you)重要的(de)(de)(de)理论和应用价值。 

中(zhong)科(ke)院半导体所半导体超晶格国家(jia)重点(dian)实验室研究员王开(kai)友等(deng)人(ren),近年来通(tong)过引入(ru)自(zi)旋(xuan)(xuan)流(liu)密度梯度[Nature Materials, 2017, 16(7): 712]和(he)内置面内耦合磁场(chang)[Advanced Electronic Materials, 2018, 4(9): 1808104]等(deng)方法,成功实现了零磁场(chang)、可(ke)重构的SOT诱导磁化定向翻(fan)转;在(zai)此基础上,他(ta)们还(hai)演示(shi)了全电控自(zi)旋(xuan)(xuan)逻辑[IEEE Electron Device Letters, 2019, 40(9): 1554]和(he)自(zi)旋(xuan)(xuan)人(ren)工突触(chu)可(ke)塑(su)性(xing)功能[Advanced Functional Materials, 2019, 29(25): 1808104]。 

最近,该研究团队又提出并(bing)在(zai)实(shi)验上(shang)验证(zheng)了(le)横向(xiang)(xiang)(xiang)自(zi)旋轨道矩(ju)(Lateral SOT,以(yi)下(xia)简称LSOT)诱导(dao)的垂(chui)直磁化定向(xiang)(xiang)(xiang)翻(fan)转(zhuan)。如图1所示,他们利用局域(yu)激(ji)光(guang)退火(huo)获得了(le)不对称的非磁/铁磁水平异质(zhi)结构,发现在(zai)零外加磁场下(xia),即使没有垂(chui)直方向(xiang)(xiang)(xiang)自(zi)旋流(liu)的注入(ru),仅仅利用LSOT就可(ke)以(yi)实(shi)现零磁性(xing)下(xia)垂(chui)直磁化的完全定向(xiang)(xiang)(xiang)翻(fan)转(zhuan),其(qi)翻(fan)转(zhuan)取向(xiang)(xiang)(xiang)仅取决于局域(yu)激(ji)光(guang)退火(huo)的位置。该结果突破(po)了(le)SOT对传统非磁/铁磁双层膜体系(xi)中垂(chui)直自(zi)旋流(liu)注入(ru)的依赖。该成果以(yi)题为(wei) “Deterministic magnetization switching using lateral spin-orbit torque”的论(lun)文发表(biao)在(zai)《先进(jin)材(cai)料》上(shang)[Advanced Materials, 2020, 32(16): 1907929]。半(ban)导(dao)体所王开友研究员(yuan)为(wei)论(lun)文通(tong)讯(xun)作(zuo)(zuo)者,已出站博(bo)士后曹易和(he)(he)博(bo)士生(sheng)盛(sheng)宇为(wei)论(lun)文共同第一作(zuo)(zuo)者,合(he)作(zuo)(zuo)者包(bao)括半(ban)导(dao)体所姬扬研究员(yuan)和(he)(he)郑厚植(zhi)院士、以(yi)及英(ying)国诺丁汉大学Kevin William Edmonds副教(jiao)授。 

 

图(tu)1 局域激光退火(huo)后Pt/Co/Pt结构中由LSOT诱导的(de)Co层磁化(hua)定向翻(fan)转(zhuan)。当上(shang)下Pt厚度分别为3nm和2.6nm时,来自它们的(de)传统SOT效应(ying)几乎相互抵消,而(er)垂(chui)直磁化(hua)的(de)Co层依然可以在LSOT诱导下实现完(wan)全(quan)的(de)定向翻(fan)转(zhuan)。  

      在此基(ji)础上,他们进(jin)一(yi)(yi)步在实验(yan)上演(yan)示(shi)(shi)了(le)一(yi)(yi)种可(ke)编(bian)程(cheng)的(de)互补型(xing)LSOT逻辑器(qi)件(jian)。如(ru)图2所(suo)示(shi)(shi),基(ji)于一(yi)(yi)对激光局域退火(huo)位(wei)置分别(bie)在-y和(he)+y方向的(de)LSOT器(qi)件(jian),利(li)用(yong)电(dian)流初始(shi)化(hua)对逻辑功能进(jin)行编(bian)程(cheng),分别(bie)实现了(le)AND,OR,NAND和(he)NOR等逻辑门,并演(yan)示(shi)(shi)了(le)利(li)用(yong)3个LSOT器(qi)件(jian)组(zu)合而(er)成的(de)原型(xing)半加器(qi)。此外,将磁化(hua)状(zhuang)态作为一(yi)(yi)种逻辑输入,即(ji)可(ke)利(li)用(yong)工(gong)作电(dian)流对逻辑功能进(jin)行编(bian)程(cheng),实现无需初始(shi)化(hua)的(de)存算一(yi)(yi)体逻辑操作,演(yan)示(shi)(shi)了(le)包(bao)(bao)括IMP(蕴涵(han)门)在内的(de)多种状(zhuang)态逻辑门(stateful logic gate)。这种互补型(xing)LSOT逻辑单元,在器(qi)件(jian)层面为非冯(feng)·诺伊曼(man)式的(de)存内计(ji)算方案(an)提供了(le)一(yi)(yi)种可(ke)行的(de)思路。该(gai)成果以题目为“Complementary lateral-spin-orbit building blocks for programmable logic and in-memory computing”的(de)论文发表在《先进(jin)电(dian)子材(cai)料》上 [Advanced Electronic Materials, 2020, DOI: 10.1002/aelm.202000296]。半导体所(suo)王(wang)开友(you)研究员(yuan)为论文通讯(xun)作者(zhe),博士生(sheng)张(zhang)楠(nan)和(he)已出站博士后曹易为论文共同第一(yi)(yi)作者(zhe),合作者(zhe)包(bao)(bao)括半导体所(suo)姬扬研究员(yuan)和(he)郑厚植院士、以及英(ying)国诺丁汉(han)大学Andrew W. Rushforth副教授。 

 

图(tu)2 翻转取向互补的(de)一对LSOT器件(jian)的(de)布(bu)尔逻辑操(cao)作(zuo)示例(li) 

该系(xi)列研究工作(zuo)得到了(le)中科(ke)(ke)院(yuan)前沿科(ke)(ke)学重(zhong)点研究项目、科(ke)(ke)技(ji)部重(zhong)点研发(fa)计划、国(guo)家自然科(ke)(ke)学基金、北京市自然科(ke)(ke)学基金重(zhong)点研究专题、以(yi)及王宽诚教育基金等经费支持。 

  

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