基于外爾半金屬WTe2 的自旋-軌道矩驅(qū)動(dòng)磁矩翻轉(zhuǎn)*

魏陸軍 李陽(yáng)輝 普勇

(南京郵電大學(xué)理學(xué)院,江蘇省新能源技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室,南京 210023)

1 引言

在過(guò)去三十年中,巨磁電阻和隧穿磁電阻的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)顯著提高了硬盤(pán)存儲(chǔ)密度[1–3].隨著自旋電子學(xué)的快速發(fā)展,新型的自旋電子器件,如賽道存儲(chǔ)器和磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(magnetic random accessory memory,MRAM)等,在后摩爾時(shí)代展現(xiàn)出了巨大的潛力[4,5].這些自旋電子器件的功耗和存儲(chǔ)速度取決于調(diào)控磁矩翻轉(zhuǎn)的方法.最傳統(tǒng)的方法是利用外加電流產(chǎn)生磁場(chǎng)來(lái)調(diào)控磁矩翻轉(zhuǎn),然而由于其功耗高、密度低且伴隨有雜散場(chǎng)產(chǎn)生,因此不利于高性能器件實(shí)際的應(yīng)用.為了解決這個(gè)難題,在過(guò)去的二十多年里,研究者們利用電流誘導(dǎo)的力矩來(lái)操控磁矩翻轉(zhuǎn)[6–10].最初是利用自旋轉(zhuǎn)移矩(spin-transfer torque,STT)效應(yīng),即電子被一層鐵磁層自旋極化,自旋極化的電子影響另一鐵磁層的磁化翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象[8,11].現(xiàn)在已被用于制造商用STT-MRAMs.盡管STT 有很多優(yōu)點(diǎn),然而,過(guò)高的臨界翻轉(zhuǎn)電流密度會(huì)增加絕緣隧穿層擊穿的風(fēng)險(xiǎn),從而對(duì)器件的穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響[12,13].

另一種方法是電流誘導(dǎo)的自旋軌道矩(spinorbit torque,SOT),這最近已成為一種很有前途的高效操控磁化翻轉(zhuǎn)的技術(shù)[9,10,14].最典型的SOT結(jié)構(gòu)包括鐵磁(ferromagnetic,FM)/非磁金屬(normal metal,NM)異質(zhì)結(jié).當(dāng)電流在FM/NM 中流動(dòng)時(shí),由于體或界面自旋軌道耦合作用,NM 中電流會(huì)轉(zhuǎn)化為自旋流,然后在FM/NM 界面聚積,并擴(kuò)散到相鄰的FM 層,使自旋流通過(guò)角動(dòng)量傳遞對(duì)局部磁矩施加力矩.SOT 的根本起源在于NM 層的強(qiáng)自旋軌道耦合(spin-orbit coupling,SOC),且廣泛用于磁矩的電調(diào)控,如快速磁化開(kāi)關(guān)、高速磁疇壁運(yùn)動(dòng)和自旋波激發(fā)[9,10,14–18].與STT 器件相比,電流不需要經(jīng)過(guò)隧道結(jié)層,且自旋轉(zhuǎn)換效率較高.因此SOT 器件具有穩(wěn)定性更高、響應(yīng)速度更快和能耗更低等優(yōu)點(diǎn).為了更高效地產(chǎn)生自旋流和實(shí)現(xiàn)磁矩翻轉(zhuǎn)的電調(diào)控,必須增強(qiáng)NM 層的SOC強(qiáng)度.同時(shí),為了構(gòu)建具有強(qiáng)SOC 的NM/FM 異質(zhì)結(jié),過(guò)去人們探索了大量的NM 材料.在先前的研究中,Pt,W 和Ta 等5d 重金屬因具有較強(qiáng)的SOC 而被廣泛用作自旋源材料[10,14,19].然而,這些材料的自旋霍爾角(spin Hall angle,SHA)通常小于1[20,21].對(duì)于SOT 翻轉(zhuǎn)垂直磁化而言,這些材料通常需要打破對(duì)稱(chēng)性才能實(shí)現(xiàn)[22–28].然而,克服這一限制通常采用復(fù)雜的制造工藝或額外的磁性層,這會(huì)降低存儲(chǔ)密度和器件的耐久性.因此,迫切需要尋找具有強(qiáng)SOC 的新型材料來(lái)提高SOT 效率,同時(shí)能實(shí)現(xiàn)零磁場(chǎng)垂直磁化翻轉(zhuǎn).

作為一種替代方案,二維范德瓦耳斯(van der Waals,vd W)層狀材料最近被提出可以作為SOT器件的自旋源材料.在各種vd W 材料中,過(guò)渡金屬硫族化合物(transition metal dichalcogenides,TMDs)因其具有非平凡的能帶結(jié)構(gòu)、可調(diào)電導(dǎo)率和強(qiáng)SOC 而成為有前途的候選材料[29–31].TMDs在SOT 應(yīng)用中表現(xiàn)出諸多優(yōu)勢(shì),如設(shè)計(jì)晶體對(duì)稱(chēng)和電場(chǎng)來(lái)調(diào)控SOT 的強(qiáng)度、SOT 效率高于NMs及其可以擴(kuò)展到原子層極限[32,33].最近的研究表明外爾半金屬也具有非平凡能帶結(jié)構(gòu)[34,35],可引起明顯的Edelstein 效應(yīng),且其比拓?fù)浣^緣體或Rashba體系的強(qiáng)一個(gè)數(shù)量級(jí).同時(shí)在外爾半金屬中,體態(tài)產(chǎn)生的強(qiáng)烈本征自旋霍爾效應(yīng)也有助于自旋流的產(chǎn)生[36].與其他新型的二維自旋源材料(如MoS2,WSe2和WS2等)相比,二維外爾半金屬材料具備更低的對(duì)稱(chēng)性,以滿(mǎn)足產(chǎn)生非傳統(tǒng) SOT 所需的對(duì)稱(chēng)性要求,并且擁有更高的電導(dǎo)率,從而可能降低磁矩翻轉(zhuǎn)操作的功耗.尤其Td 相的WTe2具有很強(qiáng)的SOC 和在表面態(tài)和體態(tài)中都具有受時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性保護(hù)的大自旋極化的非平凡能帶結(jié)構(gòu)[34,37].同時(shí)對(duì)于低對(duì)稱(chēng)性結(jié)構(gòu)的WTe2具有更強(qiáng)的SOC,既可以產(chǎn)生常規(guī)的面內(nèi)類(lèi)阻尼矩(τS),也可以產(chǎn)生非常規(guī)的面外類(lèi)阻尼矩(τB)[32,38].最近研究者利用WTe2已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了零磁場(chǎng)低溫和室溫下磁矩翻轉(zhuǎn)的電調(diào)控[39–44],這為研究新型自旋電子器件提供了很有價(jià)值的參考.表1 匯總了已報(bào)道的實(shí)驗(yàn)研究工作中WTe2晶體的制備方法、鐵磁層材料以及WTe2/FM 異質(zhì)結(jié)的SOT 的表征方法、測(cè)試溫度和自旋霍爾電導(dǎo)率[32,38–43,45–47].

表1 實(shí)驗(yàn)研究工作中WTe2 晶體的制備方法、鐵磁層材料和WTe2/FM 異質(zhì)結(jié)的SOT 的表征方法、測(cè)試溫度和自旋霍爾電導(dǎo)率Table 1.Preparation method of WTe2 crystal,FM material,measurement method,experimental temperature and spin Hall conductivity for SOT in WTe2/FM heterostructures.

本綜述首先總結(jié)了基于WTe2的異質(zhì)結(jié)的自旋軌道矩的研究的最新實(shí)驗(yàn)進(jìn)展,然后介紹了WTe2/FM 異質(zhì)結(jié)的自旋軌道矩的探測(cè)和磁矩翻轉(zhuǎn)的電調(diào)控相關(guān)工作,最后提出WTe2實(shí)際應(yīng)用要求,并進(jìn)行總結(jié)和展望.

2 WTe2/FM 異質(zhì)結(jié)自旋軌道矩的研究

外爾半金屬WTe2具有很強(qiáng)的SOC[37,48,49]和較高的電子遷移率[50],這使其成為一種極具潛力的自旋源材料.WTe2和其他過(guò)渡金屬二硫化物一樣具有層狀結(jié)構(gòu),但由于其額外的結(jié)構(gòu)畸變導(dǎo)致較低的晶體對(duì)稱(chēng)性,即缺乏反演對(duì)稱(chēng)性,其空間群為Pmn21[51].對(duì)于WTe2/FM 異質(zhì)結(jié)構(gòu)中,旋轉(zhuǎn)軸和滑移面對(duì)稱(chēng)在界面處被打破,因此它只有一種對(duì)稱(chēng),即相對(duì)于bc平面的鏡像對(duì)稱(chēng)(圖1).在ac平面上沒(méi)有鏡像對(duì)稱(chēng),因此沒(méi)有關(guān)于c軸的180°旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)(垂直于ab平面).

在2016年,MacNeill 等[38]利用自旋力矩-鐵磁共振(spin-torque ferromagnetic resonance,STFMR)技術(shù)首次在機(jī)械剝離的WTe2/Py (Py=Ni81Fe19)異質(zhì)結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)存在面外類(lèi)阻尼矩(τB).他們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn),當(dāng)微波電流沿a軸(低對(duì)稱(chēng)軸)時(shí),公式VA(?)=Acos(?)sin(2?)+Bsin(2?) 能很好地?cái)M合反對(duì)稱(chēng)電壓信號(hào)VA的角度依賴(lài)特性,表明產(chǎn)生的面外SOT 除了有傳統(tǒng)的面外類(lèi)場(chǎng)矩(τA),還有τB的貢獻(xiàn).然而,當(dāng)微波電流沿著b軸(高對(duì)稱(chēng)軸)時(shí),額外項(xiàng)(Bsin(2?))消失,說(shuō)明此時(shí)只存在傳統(tǒng)的τA.當(dāng)微波電流從a軸逐漸變到b軸時(shí),τB/τA逐漸減小甚至為零,這證明了觀(guān)察到面外SOT 與WTe2晶體中的對(duì)稱(chēng)性相關(guān).進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),τB/τA和τS/τA(τS表示面內(nèi)類(lèi)阻尼矩)都與WTe2的厚度無(wú)關(guān),表明這3 個(gè)力矩(τS,τA和τB)的產(chǎn)生主要是WTe2/Py 異質(zhì)結(jié)的界面效應(yīng)引起的.此外,當(dāng)微波電流沿著低對(duì)稱(chēng)軸時(shí),他們還得到:

2017年,MacNeill 等[32]利用二次諧波霍爾(second-harmonic Hall,SHH)和ST-FMR 技術(shù)也研究了WTe2/Py 異質(zhì)結(jié)中SOT 與WTe2厚度的關(guān)系,進(jìn)一步證實(shí)了面外類(lèi)阻尼矩的存在,且其大小與WTe2厚度幾乎沒(méi)有關(guān)系(圖2(a)),即使是單層WTe2樣品也能提供與更厚的樣品相當(dāng)?shù)腟OT.然而,面外類(lèi)場(chǎng)矩與WTe2厚度具有顯著的關(guān)系,主要起源于奧斯特場(chǎng).同時(shí),在具有單層臺(tái)階WTe2的樣品中發(fā)現(xiàn)符號(hào)相反的面外類(lèi)阻尼矩.在WTe2/Py 器件中,SHH 電壓的角度依賴(lài)性表明單層和雙層WTe2的樣品的τB符號(hào)相反(圖2(b)),這些發(fā)現(xiàn)與WTe2晶體的非對(duì)稱(chēng)性相一致.

圖2 (a) τS/τB 和τT/τB 分別與WTe2 厚度的關(guān)系;(b)單層和雙層的WTe2/Py 器件的二次諧波霍爾電壓與外加磁場(chǎng)角度關(guān)系,τB 的符號(hào)反轉(zhuǎn)反映在發(fā)現(xiàn)峰值信號(hào)的不同角度上[32]Fig.2.(a) Ratios of the τS/τB and τT/τB as a function of WTe2 thickness;(b) second-harmonic Hall data for a WTe2/Py device with a monolayer bilayer WTe2,as a function of the angle of the applied magnetic field.The sign reversal of τB is reflected in the different angles at which the peak signals are found[32].

2019年,Shi 等[45]也利用ST-FMR 技術(shù)測(cè)量了機(jī)械剝離的WTe2/Py 異質(zhì)結(jié)的SOT,發(fā)現(xiàn)當(dāng)b軸通電流時(shí)SOT 明顯依賴(lài)于厚度變化,且SOT的效率隨著厚度的增大而增大.他們還通過(guò)STFMR 和電流誘導(dǎo)的磁化開(kāi)關(guān)方法分別測(cè)量不同厚度的WTe2器件中的有效自旋霍爾角,結(jié)果都表現(xiàn)出類(lèi)飽和的體效應(yīng)特性,這表明SOT 的起源是體效應(yīng),也就是自旋霍爾效應(yīng).由于機(jī)械剝離的WTe2僅為微米尺寸,不利于器件實(shí)際的應(yīng)用.于是在2021年,Shi 等[47]采用CVD 方法生長(zhǎng)了厘米尺寸的Td 相的WTe2薄膜,并利用ST-FMR 研究了5 nm 厚的WTe2與FeNi 組成異質(zhì)結(jié)的自旋軌道矩,得到面內(nèi)和面外的自旋霍爾電導(dǎo)率分別為7.36×103(?/2e) (Ω·m)–1,1.76×103(?/2e) (Ω·m)–1,這與機(jī)械剝離WTe2得到的結(jié)果相吻合.與此同時(shí),還有很多研究者努力用磁控濺射的方法生長(zhǎng)WTe2,但只能制備到WTex非晶體,僅觀(guān)察到有常規(guī)的面內(nèi)類(lèi)阻尼矩,而沒(méi)有面外類(lèi)阻尼矩[52–54].

3 WTe2/FM 異質(zhì)結(jié)磁矩翻轉(zhuǎn)的電調(diào)控

3.1 WTe2 和普通鐵磁異質(zhì)結(jié)

2019年,Shi 等[45]首次報(bào)道了在機(jī)械剝離的WTe2/Py 異質(zhì)結(jié)中室溫下電流驅(qū)動(dòng)面內(nèi)的磁化翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,并通過(guò)磁光克爾顯微鏡對(duì)WTe2(80 nm)/Py(6 nm)器件的電流驅(qū)動(dòng)的面內(nèi)磁疇翻轉(zhuǎn)進(jìn)行表征,測(cè)得臨界翻轉(zhuǎn)電流密度為2.96×105A/cm2.這一數(shù)值比拓?fù)浣^緣體/鐵磁金屬(Bi2Se3/Py)(～ 6×105A/cm2)[55]和Pt(6 nm)/Py(6 nm)(～ 2.80×107A/cm2)異質(zhì)結(jié)的臨界翻轉(zhuǎn)電流密度小.由于WTe2的電阻率(～580 μΩ·cm)低于Bi2Se3拓?fù)浣^緣體的(8 層樣品的電阻率約為2600 μΩ·cm),因此在WTe2/Py 異質(zhì)結(jié)中電流驅(qū)動(dòng)磁化翻轉(zhuǎn)的功耗比Bi2Se3/Py 異質(zhì)結(jié)的小19 倍,也比Pt(6 nm)/Py(6 nm)的小350 倍.此外,他們還觀(guān)察到WTe2/Py 中的手性磁疇壁傾斜,這歸因于界面誘導(dǎo)Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用.之后,他們又利用CVD 生長(zhǎng)了WTe2,并與NiFe 組成異質(zhì)結(jié)[47],測(cè)得臨界翻轉(zhuǎn)電流密度為2.53×105A/cm2,這與機(jī)械剝離的WTe2的結(jié)果基本一致.

2021年,Xie 等[43]構(gòu)建了氧化物SrRuO3和機(jī)械剝離WTe2的異質(zhì)結(jié),在40 K 下實(shí)現(xiàn)了電流誘導(dǎo)垂直磁化的確定性翻轉(zhuǎn),這歸因于范德瓦耳斯材料WTe2產(chǎn)生的面外自旋極化.他們通過(guò)反?；魻栃?yīng)回線(xiàn)偏移(AHE loop shift)方法進(jìn)一步證實(shí)了面外自旋極化的存在.同年,Zhao 等[56]也報(bào)道了在室溫下WTe2可以通過(guò)電流誘導(dǎo)產(chǎn)生自旋極化及在石墨烯通道中的實(shí)現(xiàn)高效自旋注入和檢測(cè).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,WTe2中存在一種非常規(guī)的電荷-自旋轉(zhuǎn)換現(xiàn)象,這與傳統(tǒng)的自旋霍爾效應(yīng)和Rashba-Edelstein 效應(yīng)相反.這種現(xiàn)象主要是由于系統(tǒng)晶體的對(duì)稱(chēng)性所限制而產(chǎn)生的.由于WTe2晶體對(duì)稱(chēng)性的降低以及具有大的自旋貝里曲率(spin Berry curvature)和新費(fèi)米態(tài)的自旋結(jié)構(gòu)自旋軌道相互作用,使得它可以產(chǎn)生較大的自旋極化.這些發(fā)現(xiàn)為利用外爾半金屬材料作為全范德瓦耳斯自旋電子電路中的非磁性自旋源以及低功耗和高性能非易失性自旋電子技術(shù)提供了機(jī)會(huì).

近期,Wang 等[42]利用CVD 技術(shù)生長(zhǎng)了晶圓級(jí)、高質(zhì)量的少層WTe2,之后在其表面利用磁控濺射沉積了垂直磁化的多層膜Ti (1.5 nm)/Co20Fe60B20(1.2 nm)/MgO (2 nm)/Ta (3 nm).他們觀(guān)測(cè)到了室溫下無(wú)外場(chǎng)輔助的電流驅(qū)動(dòng)的磁化翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象(圖3(a)).通過(guò)SHH 結(jié)合AHE loop shift 的方法,他們測(cè)量了該樣品面內(nèi)和面外的自旋霍爾電導(dǎo)率分別為(3.58±0.12)×103(?/2e) (Ω·m)–1和(2.05±0.39)×103(?/2e) (Ω·m)–1,并估算出其面內(nèi)和面外的電荷-自旋轉(zhuǎn)換效率分別為0.36±0.01 和0.02±0.004.他們指出自旋極化的面外和面內(nèi)分量比約為5%,足以實(shí)現(xiàn)無(wú)外場(chǎng)輔助的確定性磁化翻轉(zhuǎn).該樣品的臨界翻轉(zhuǎn)電流密度為3.25×106A/cm2,比控制樣品W/Ti/CoFeB/MgO (13.69×106A/cm2)更低.這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果為WTe2作為自旋源材料在磁矩翻轉(zhuǎn)的電調(diào)控技術(shù)中的應(yīng)用提供了有益的實(shí)驗(yàn)支持,并對(duì)其進(jìn)一步的研究具有重要的參考價(jià)值.

圖3 (a)電流沿WTe2 a 軸誘導(dǎo)磁化翻轉(zhuǎn)特性[42];(b)在WTe2/Fe3GeTe2 異質(zhì)結(jié)中SOT 誘導(dǎo)的無(wú)場(chǎng)磁化翻轉(zhuǎn)[40]Fig.3.(a) The current-induced magnetization switching behavior along the a axis of WTe2[42];(b) SOT-induced field-free switching in WTe2/Fe3GeTe2 bilayers[40].

3.2 WTe2/二維鐵磁異質(zhì)結(jié)

2022年,Kao 等[39]利用機(jī)械剝離制備了全vdW WTe2/Fe2.78GeTe2異質(zhì)結(jié),并在溫度為100—200 K 之間實(shí)現(xiàn)了零磁場(chǎng)下電流驅(qū)動(dòng)的垂直磁化確定性的翻轉(zhuǎn).由于二維Fe2.78GeTe2的居里溫度(TC<230 K)遠(yuǎn)低于室溫,因此只能在低溫下研究電流驅(qū)動(dòng)的磁化翻轉(zhuǎn)行為.他們通過(guò)測(cè)試AHE loop shift 證明了當(dāng)電流應(yīng)用于WTe2的a軸時(shí)存在非零面外類(lèi)阻尼矩,且AHE loop shift 是突然變化的,而不是一個(gè)線(xiàn)性的偏移,這表明系統(tǒng)中不存在明顯的面外類(lèi)場(chǎng)矩.在170 K 時(shí)器件的臨界翻轉(zhuǎn)電流密度約為6.5×106A/cm2.

同年,Ye 等[40]提出并實(shí)現(xiàn)了軌道轉(zhuǎn)移矩(orbit-transfer torque,OTT),即利用軌道磁矩對(duì)磁化強(qiáng)度施加力矩,從而提出了一種無(wú)外加磁場(chǎng)的電流驅(qū)動(dòng)垂直磁化翻轉(zhuǎn)的新策略.由于在WTe2中存在非零貝里曲率偶極子(Berry curvature dipole),施加電流可以產(chǎn)生軌道磁矩的垂直極化,并且通過(guò)改變電流極性可以改變極化方向.在此原理的指導(dǎo)下,他們構(gòu)建了WTe2/Fe3GeTe2異質(zhì)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了OTT 驅(qū)動(dòng)零場(chǎng)下的電流誘導(dǎo)磁化翻轉(zhuǎn)(圖3(b)).在溫度為120 K 時(shí),對(duì)于不同厚度的WTe2/Fe3Ge Te2樣品,臨界翻轉(zhuǎn)電流密度約為6.5×106—8.6×106A/cm2.此外,Wang 等[41]也在二維WTe2/Fe3GeTe2異質(zhì)結(jié)中利用非常規(guī)的電荷-自旋轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)垂直磁化零磁場(chǎng)的確定性翻轉(zhuǎn),并提出了一種以前未實(shí)現(xiàn)的對(duì)稱(chēng)寫(xiě)入和讀出機(jī)制.這種機(jī)制可以在基于垂直各向異性自旋軌道量子材料WTe2和Fe3GeTe2的體系中實(shí)現(xiàn),并且可以實(shí)現(xiàn)功能完整的邏輯內(nèi)存操作集和更復(fù)雜的非易失性半加法器邏輯功能.同時(shí),Shin 等[57]也利用WTe2/Fe3GeTe2全范德瓦耳斯異質(zhì)結(jié)中觀(guān)測(cè)到了電流誘導(dǎo)的磁化翻轉(zhuǎn)特性,估算出WTe2的SOT 效率為4.6.值得一提的是,在150 K 時(shí)獲得的臨界翻轉(zhuǎn)電流密度為3.90×106A/cm–2,比傳統(tǒng)重金屬/鐵磁體薄膜的小一個(gè)數(shù)量級(jí).這些研究成果為基于自旋電子學(xué)的新型器件的設(shè)計(jì)和制備提供了有益的參考,并為未來(lái)的研究提供了新的思路和方向.

4 結(jié)論和展望

本文綜述了基于二維外爾半金屬WTe2的自旋軌道矩的最新研究進(jìn)展,介紹了WTe2與普通鐵磁及二維鐵磁組成異質(zhì)結(jié)的研究現(xiàn)狀和自旋軌道矩誘導(dǎo)磁矩翻轉(zhuǎn)的研究進(jìn)展.外爾半金屬WTe2作為一種能產(chǎn)生非常規(guī)面外SOT 的新型量子材料,將會(huì)構(gòu)建很多新的自旋電子器件.對(duì)于其應(yīng)用還存在以下幾個(gè)方面的挑戰(zhàn).

1)面外類(lèi)阻尼SOT 產(chǎn)生的機(jī)制不夠清楚.利用自旋霍爾效應(yīng)和Rashba-Edelstein 效應(yīng)很難解釋W(xué)Te2產(chǎn)生非常規(guī)的面外極化的自旋流,需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)結(jié)合理論來(lái)闡明本質(zhì)機(jī)制.

2)室溫全二維異質(zhì)結(jié)的磁矩翻轉(zhuǎn)的電調(diào)控.器件室溫工作可以拓寬實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值.這需要使用新發(fā)現(xiàn)的或?qū)ふ倚碌氖覝囟S磁性材料,如Fe5GeTe2[58–60],CrTe2[61]和Fe3GaTe2[62,63]等.同時(shí)還要求制備出室溫高質(zhì)量原子層級(jí)別異質(zhì)結(jié)的磁矩翻轉(zhuǎn)的電調(diào)控器件,這更有利于提高下一代高性能自旋電子器件的集成密度.

3)大面積生長(zhǎng)高質(zhì)量的WTe2晶體及室溫二維鐵磁體.在SOT 器件中,二維材料通常采用機(jī)械剝離的方法制備,難以與現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)相結(jié)合.雖然用CVD 方法能長(zhǎng)出厘米尺寸的WTe2,還需要進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件生長(zhǎng)均勻、原子層、高質(zhì)量和晶圓尺寸的二維WTe2晶體.此外,Liu 等[64]利用分子束外延獲得晶圓級(jí)二維Fe3GeTe2晶體,這為大面積和均勻可控層數(shù)生長(zhǎng)二維材料的制備提供重要的參考.

4)兼容問(wèn)題.二維材料必須轉(zhuǎn)移到硅基上,與其他薄膜形成高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)組裝.另外與傳統(tǒng)的隧道結(jié)或者全二維隧道結(jié)組裝也是當(dāng)前面臨的一大挑戰(zhàn).

基于二維外爾半金屬WTe2的SOT 器件在基礎(chǔ)研究和技術(shù)應(yīng)用方面吸引了越來(lái)越多研究者的關(guān)注,并在SOT 效率和磁矩的電調(diào)控等方面取得了一些進(jìn)展.最近,研究者發(fā)現(xiàn)另外一種新的外爾半金屬材料TaIr Te4,它的電阻率比WTe2低,能夠產(chǎn)生面外的類(lèi)阻尼矩,且自旋霍爾電導(dǎo)率高于WTe2.此外,它還實(shí)現(xiàn)了室溫下零磁場(chǎng)高效的磁化翻轉(zhuǎn)的電調(diào)控[65,66].這些發(fā)現(xiàn)將促進(jìn)外爾半金屬材料在下一代高性能自旋電子器件的發(fā)展,我們期望基于外爾半金屬的SOT 器件未來(lái)能夠得到廣泛應(yīng)用.