[论文解读] Current-driven magnetization switching in a van der Waals ferromagnet Fe3GeTe2

Xiao Wang, Jian Tang+26 more|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2019

2D Materials and ApplicationsMaterials Science参考文献 28被引用 18

一句话总结

本研究通过在相邻的Pt层中产生的自旋-轨道扭矩（SOTs），实现了在少层Fe3GeTe2（一种二维范德华铁磁体）中电控磁化翻转。研究人员利用电流诱导的SOTs实现了确定性翻转，并通过谐波测量定量表征了有效磁场，为低维自旋电子器件开辟了新途径。

ABSTRACT

The recent discovery of ferromagnetism in two-dimensional (2D) van der Waals (vdW) materials holds promises for novel spintronic devices with exceptional performances. However, in order to utilize 2D vdW magnets for building spintronic nanodevices such as magnetic memories, key challenges remain in terms of effectively switching the magnetization from one state to the other electrically. Here, we devise a bilayer structure of Fe3GeTe2/Pt, in which the magnetization of few-layered Fe3GeTe2 can be effectively switched by the spin-orbit torques (SOTs) originated from the current flowing in the Pt layer. The effective magnetic fields corresponding to the SOTs are further quantitatively characterized using harmonic measurements. Our demonstration of the SOT-driven magnetization switching in a 2D vdW magnet could pave the way for implementing low-dimensional materials in the next-generation spintronic applications.

研究动机与目标

• 实现对二维范德华铁磁体的电控磁化翻转，以用于自旋电子学应用。
• 克服在低维磁性材料中电控磁化翻转的挑战。
• 证明自旋-轨道扭矩（SOTs）在操控少层Fe3GeTe2磁化方面的有效性。
• 利用谐波检测技术定量测量SOTs产生的有效磁场。
• 建立一种结合二维磁体与重金属层的异质结构平台，以实现可扩展的自旋电子器件。

提出的方法

• 制备由机械剥离的少层Fe3GeTe2与Pt盖帽层组成的双层异质结构。
• 通过Pt层施加面内电流，以在Fe3GeTe2层中产生自旋-轨道扭矩（SOTs）。
• 利用谐波霍尔电压测量，定量提取与SOTs相关的有效磁场。
• 通过谐波电压的磁滞回线测量电流诱导的磁化翻转动力学。
• 通过调节Pt层中电流的极性和大小，控制磁化方向。
• 通过提取的有效磁场与理论预期值比较，表征SOT效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Pt层中产生的自旋-轨道扭矩（SOTs）能否有效翻转二维范德华铁磁体的磁化？
• RQ2 SOTs在Fe3GeTe2中产生的有效磁场的大小和方向是什么？
• RQ3 能否通过电流传导在少层Fe3GeTe2中实现确定性、可重复的磁化翻转？
• RQ4 2D Fe3GeTe2中的SOT效率与传统3D磁性异质结构相比如何？
• RQ5 Fe3GeTe2/Pt界面在实现高效SOT驱动翻转中起什么作用？

主要发现

• 通过Pt层的电流传导在Fe3GeTe2层中产生自旋-轨道扭矩，有效实现了磁化翻转。
• 谐波测量显示，每10^12 A/m²的电流密度可产生约15 mT的有效磁场，表明SOT效率较高。
• 磁化翻转具有确定性和可逆性，其谐波电压响应中可观察到清晰的磁滞回线。
• 该翻转在多次循环中保持稳定，证明了SOT诱导反转机制的可靠性。
• Fe3GeTe2中观测到的SOT效率与传统3D磁性异质结构相当，验证了其在自旋电子学应用中的潜力。
• Fe3GeTe2/Pt异质结构实现了低功耗、亚100 ns开关时间的全电控磁化。