[论文解读] Room-temperature van der Waals 2D ferromagnet switching by spin-orbit torques

Weihao Li, Wenkai Zhu+11 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2023

2D Materials and ApplicationsMaterials Science被引用 3

一句话总结

本研究通过Fe3GaTe2/Pt异质结构中的自旋轨道扭矩（SOTs），首次实现了在室温下、由电场驱动的二维范德华铁磁体Fe3GaTe2的垂直磁化开关。在1.3 × 10⁷ A/cm²的低电流密度和约0.22的高SOT效率（ξ_DL）下，该工作在300 K下实现了确定性的磁化反转，为原子级薄磁性器件的实际自旋电子学应用奠定了基础。

ABSTRACT

Emerging wide varieties of the two-dimensional (2D) van der Waals (vdW) magnets with atomically thin and smooth interfaces holds great promise for next-generation spintronic devices. However, due to the lower Curie temperature of the vdW 2D ferromagnets than room temperature, electrically manipulating its magnetization at room temperature has not been realized. In this work, we demonstrate the perpendicular magnetization of 2D vdW ferromagnet Fe3GaTe2 can be effectively switched at room temperature in Fe3GaTe2/Pt bilayer by spin-orbit torques (SOTs) with a relatively low current density of 1.3 10^7A/cm2. Moreover, the high SOT efficiency of ξ_{DL}~0.22 is quantitatively determined by harmonic measurements, which is higher than those in Pt-based heavy metal/conventional ferromagnet devices. Our findings of room-temperature vdW 2D ferromagnet switching by SOTs provide a significant basis for the development of vdW-ferromagnet-based spintronic applications.

研究动机与目标

• 在室温下实现对二维范德华铁磁体的电控磁化开关。
• 克服二维vdW磁体中居里温度低的问题，以实现室温下的稳定运行。
• 在Fe3GaTe2/Pt异质结构中展示高效率、低电流密度的自旋轨道扭矩（SOT）诱导开关。
• 通过谐波测量量化二维vdW铁磁异质结构中的SOT效率。

提出的方法

• 制备具有原子级薄且洁净界面的Fe3GaTe2/Pt双层异质结构。
• 施加面内电流，通过Pt中的Rashba效应产生自旋轨道扭矩（SOTs）。
• 利用谐波电压测量定量测定SOT效率（ξ_DL）。
• 通过不同电流脉冲下的异常霍尔效应测量磁化开关动力学。
• 在室温下表征Fe3GaTe2中的垂直磁各向异性（PMA）。
• 通过重复循环和磁滞回线分析验证开关保真度与电流密度的依赖关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 自旋轨道扭矩是否能在室温下实现对二维范德华铁磁体的确定性磁化开关？
• RQ2 在Fe3GaTe2/Pt异质结构中，实现SOT诱导开关所需的最低电流密度是多少？
• RQ3 二维vdW铁磁体中的SOT效率与传统重金属/铁磁体体系相比如何？
• RQ4 界面自旋轨道耦合在实现原子级薄二维磁体中高效SOT开关中起什么作用？
• RQ5 在常温常压条件下，能否实现高保真度和可重复性的开关？

主要发现

• 成功在室温下实现了Fe3GaTe2中垂直磁化的SOT驱动开关。
• 仅需1.3 × 10⁷ A/cm²的低电流密度即可实现确定性的磁化反转。
• SOT效率（ξ_DL）被定量测得约为0.22，高于以往报道的传统Pt/铁磁体体系中的值。
• 谐波测量证实了高SOT效率，并为自旋轨道扭矩机制提供了定量验证。
• Fe3GaTe2/Pt异质结构在300 K下经过多次循环后仍表现出稳定且可重复的开关行为。
• 该结果为基于二维范德华磁体的可扩展、低功耗自旋电子学器件奠定了关键基础。