[论文解读] Coexistence of non-trivial van der Waals magnetic orders enable field-free spin-orbit torque switching at room temperature

Bing Zhao, Lakhan Bainsla+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2023

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一句话总结

本研究在室温下实现了在范德华（vdW）磁性异质结构（Co0.5Fe0.5）5-xGeTe2（CFGT）与Pt之间的无场、确定性自旋-轨道力矩（SOT）开关。CFGT中本征铁磁性与反铁磁性共存，诱导出交换偏置效应和倾斜的垂直磁性，从而实现高效的SOT开关，临界电流密度为8×10⁻² A/μm²，每MA/cm²产生约8.0 mT的强有效场。

ABSTRACT

The discovery of van der Waals (vdW) magnetic materials exhibiting non-trivial and tunable magnetic interactions can give rise to exotic magnetic states, which are not readily attainable with conventional materials. Such vdW magnets can provide a unique platform for studying new magnetic phenomena and realizing magnetization dynamics for energy-efficient and non-volatile spintronic memory and computing technologies. Here, we discover the coexistence of ferromagnetic and antiferromagnetic orders in vdW magnet (Co0.5Fe0.5)5-xGeTe2 (CFGT) CFGT above room temperature, inducing an intrinsic exchange bias and canted perpendicular magnetism. Such non-trivial intrinsic magnetic order enables us to realize energy-efficient, magnetic field-free, and deterministic spin-orbit torque (SOT) switching of CFGT in heterostructure with Pt. The devices show a very large spin Hall conductivity, a low critical current density, and yield a large SOT effective field. These experiments, together with density functional theory and Monte Carlo simulations establish coexisting non-trivial magnetic orders in CFGT that enable field-free SOT magnetization dynamics in spintronic devices.

研究动机与目标

• 在室温下实现能量高效、无外场且确定性的自旋-轨道力矩（SOT）开关，应用于自旋电子学器件。
• 探究非平凡磁序——特别是铁磁性（FM）与反铁磁性（AFM）状态共存——在实现无场SOT开关中的作用。
• 证明单一范德华材料中的本征交换偏置与倾斜磁性可替代传统的FM/AFM异质结构。
• 建立一个可扩展、非易失性且低功耗的自旋电子学存储与计算技术平台，基于二维范德华磁体。

提出的方法

• 通过机械剥离获得的（Co0.5Fe0.5）5-xGeTe2（CFGT）薄片，制备Pt/CrFt异质结构，以实现自旋-轨道力矩（SOT）测量。
• 通过自旋霍尔磁阻（SMR）和谐波霍尔电压测量，检测SOT诱导的磁化开关行为。
• 采用高分辨扫描透射电子显微镜（STEM），结合HAADF与EDXS，确认CFGT中的原子结构及铁空位构型。
• 利用SQUID磁强计测量温度依赖的磁化强度，确认磁序在室温以上仍存在。
• 通过密度泛函理论（DFT）计算与蒙特卡洛模拟，建模FM与AFM序共存及其对磁各向异性和交换偏置的影响。
• 采用锁相放大技术，测量同相与正交谐波电压，以精确检测SOT效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在单一二维范德华磁体中，铁磁性与反铁磁性共存是否可实现室温下的无场SOT开关？
• RQ2 本征交换偏置与倾斜磁性在vdW异质结构中实现确定性、低电流SOT开关中起何种作用？
• RQ3 CFGT中的磁各向异性能与自旋-轨道耦合如何贡献于观测到的强有效SOT场与低临界电流密度？
• RQ4 DFT与蒙特卡洛模拟在多大程度上再现了CFGT中非平凡磁序的实验观测结果？
• RQ5 在Pt/CFGT异质结构中观测到的自旋霍尔电导率与SOT效率，是否可归因于vdW磁体的本征磁性？

主要发现

• CFGT中FM与AFM序共存诱导出显著的交换偏置效应，300 K时HEB = +75 mT。
• 该体系表现出倾斜的垂直磁性，净磁矩在室温以上仍持续存在。
• 器件实现了无外场SOT开关，临界电流密度为8×10⁻² A/μm²，显著低于传统SOT器件。
• 在Pt层中测得高达3×10⁵ ħ/2e Ω⁻¹m⁻¹的自旋霍尔电导率，表明强自旋-轨道耦合。
• SOT有效场达到约8.0 mT每MA/cm²，证明了磁化开关的高效率。
• DFT与蒙特卡洛模拟证实了FM与AFM序共存的稳定性，并解释了CFGT中交换偏置与倾斜磁性的起源。