基于拓?fù)?二維量子材料的自旋電子器件*

江龍興 李慶超 張旭 李京峰? 張靜 陳祖信 曾敏 吳昊?

1) (華南師范大學(xué)半導(dǎo)體科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,廣州 510631)

2) (松山湖材料實(shí)驗(yàn)室,東莞 523808)

3) (北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100191)

1 引言

傳統(tǒng)電子器件的發(fā)展長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)遵循摩爾定律,隨著器件尺寸不斷減小與集成度不斷提高,無(wú)論是日常生活的改善還是科技技術(shù)的進(jìn)步,都經(jīng)歷著從量變到質(zhì)變的過(guò)程.然而近年來(lái)傳統(tǒng)電子器件進(jìn)一步降低器件尺寸的成本和難度大大增加,對(duì)信息處理能力的提高需要另辟蹊徑.自旋電子學(xué)由此成為新的研究熱點(diǎn),自旋電子學(xué)器件利用電子自旋作為信息載體,可以使信息處理增加一個(gè)維度.此外它還有集成密度高、響應(yīng)快等優(yōu)勢(shì),并且能和傳統(tǒng)電子器件兼容,充分利用電子器件的現(xiàn)有框架,因此成為了下一代信息器件最具潛力的發(fā)展方向之一.

自旋電子器件的核心功能是實(shí)現(xiàn)自旋的注入及自旋或磁性狀態(tài)的調(diào)控和存儲(chǔ).目前自旋的電流注入是主流的研究重點(diǎn),傳統(tǒng)的自旋電流注入由強(qiáng)自旋-軌道耦合 (spin-orbit coupling,SOC) 材料,如重金屬材料鉑、鎢、鉭等,通過(guò)自旋霍爾效應(yīng)或Rashba-Edelstein 效應(yīng)實(shí)現(xiàn).由于較短的平均自由程和散射時(shí)間,其電流-自旋轉(zhuǎn)換效率比較有限(<0.1)[1–3],需要較大的電流密度來(lái)驅(qū)動(dòng)磁矩翻轉(zhuǎn),因此器件的功耗比較高.另一方面,器件中各功能層,如SOC 層與負(fù)責(zé)自旋/磁狀態(tài)存儲(chǔ)的磁性材料層,面臨界面的晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)力、缺陷、重構(gòu)以及電子結(jié)構(gòu)失配產(chǎn)生的高電子注入勢(shì)壘等問(wèn)題.解決這些問(wèn)題是進(jìn)一步提高自旋器件性能,走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵.新型量子材料,如拓?fù)洳牧?、二維材料等,由于它們獨(dú)特的量子特性與結(jié)構(gòu)特征,為解決上述問(wèn)題提供了潛在的新途徑,成為自旋電子學(xué)的研究熱點(diǎn).

拓?fù)浣^緣體 (topological insulators,TIs) 其體態(tài)呈絕緣體相,但同時(shí)擁有受時(shí)間反演對(duì)稱性保護(hù)的導(dǎo)電表面態(tài).該表面態(tài)由材料中強(qiáng)SOC 導(dǎo)致的價(jià)帶和導(dǎo)帶反轉(zhuǎn)形成,其能帶結(jié)構(gòu)呈Dirac 線性散射關(guān)系.拓?fù)浔砻鎽B(tài)能提供自旋-動(dòng)量鎖定,并且由于受時(shí)間反演對(duì)稱性保護(hù),表面態(tài)傳輸電子將不會(huì)受非磁性缺陷、雜質(zhì)等散射中心影響,形成背散射.這些特性使得利用拓?fù)浣^緣體作為SOC 層的自旋電子器件可以大大提高電荷-自旋轉(zhuǎn)換效率,降低臨界翻轉(zhuǎn)電流密度.除此之外,拓?fù)浒虢饘俨牧先鏒irac 半金屬、Weyl 半金屬等,也能提供自旋-動(dòng)量鎖定的表面態(tài),并且其電子有更高的遷移率,有望進(jìn)一步提高自旋器件的能量效率.最近,反鐵磁材料由于對(duì)太赫茲具有超快的動(dòng)力學(xué)響應(yīng),以及不產(chǎn)生雜散場(chǎng)等特點(diǎn),呈現(xiàn)出相較于鐵磁材料的優(yōu)勢(shì).反鐵磁材料體系磁序的豐富性,結(jié)合拓?fù)洳牧贤負(fù)湫虻亩鄻有?能產(chǎn)生獨(dú)特新奇的物理現(xiàn)象,從而給操控拓?fù)鋺B(tài)、磁序提供了更多途徑,并催生出了拓?fù)浞磋F磁自旋電子學(xué)的研究方向[4,5].目前大多數(shù)拓?fù)洳牧系耐負(fù)湫泽w現(xiàn)在其能帶結(jié)構(gòu)具有拓?fù)涮卣?而磁斯格明子則是一種自旋結(jié)構(gòu)體現(xiàn)拓?fù)涮卣鞯臏?zhǔn)粒子拓?fù)鋔 結(jié)構(gòu)[6,7],其拓?fù)涮匦酝瑯邮沟盟灰资苌⑸渲行挠绊?另一方面其對(duì)自旋力矩十分敏感,因此對(duì)其操控所需的功耗極低;與磁疇相比,它擁有更小的尺寸,可使存儲(chǔ)密度大大提高.磁斯格明子的穩(wěn)定借助于非共線Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用,而該相互作用的前提之一是需要強(qiáng)SOC 作用,所以拓?fù)洳牧系膹?qiáng)SOC特征在穩(wěn)定及操控磁斯格明子方面也將發(fā)揮重要作用.

異質(zhì)結(jié)器件的另一大問(wèn)題來(lái)源于傳統(tǒng)磁性材料與SOC 材料形成的低質(zhì)量界面.二維材料表面不含懸掛鍵,靠范德瓦耳斯層間相互作用形成界面,不但避免了晶格失配帶來(lái)的困難,還能形成原子級(jí)平整的高質(zhì)量界面.目前已有研究人員利用hBN 材料作為中間勢(shì)壘層,改善界面從而提高器件效率的報(bào)道[8–10].隨著越來(lái)越多的二維磁性材料被發(fā)掘[11–16],用二維磁性材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)磁性材料成為目前的另一研究熱點(diǎn).二維磁性材料不但能改善界面問(wèn)題,其本身的磁性也表現(xiàn)出新奇特性,如磁性強(qiáng)度的層數(shù)調(diào)制,鐵磁性和反鐵磁性可隨層數(shù)切換等[11,17,18].二維材料的低維性也使得磁性的調(diào)控,如通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)等,更加有效.除此之外,二維材料的獨(dú)特結(jié)構(gòu)與能帶特征,使它擁有諸多優(yōu)秀特質(zhì),如出色的電子傳輸特性、機(jī)械特性、化學(xué)穩(wěn)定性等.同時(shí)二維材料是一個(gè)龐大的家族,可以提供物性的多樣性.對(duì)自旋電子學(xué)而言,二維材料不但可以提供良好的自旋輸運(yùn)載體,如擁有較弱SOC的材料石墨烯等[19],還可以提供用以進(jìn)行自旋操控的強(qiáng)SOC 材料如過(guò)渡金屬硫族化物 (transition metal dichalcogenides,TMDs) 等[20,21].此外它的自旋特性可有效響應(yīng)光、應(yīng)力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等多種外部激勵(lì),實(shí)現(xiàn)基于自旋信號(hào)的傳感器件.

二維材料層間為范德瓦爾斯相互作用,使得研究者們可以自由得堆疊不同二維材料形成異質(zhì)結(jié).前文討論的拓?fù)洳牧?大多也都是范德瓦耳斯層狀材料,例如Bi2Se3,Bi2Te3,Sb2Te3,Td-WTe2,PtSe2,PtTe2等.可以將二維磁性材料與拓?fù)洳牧隙询B在一起,制備成具有原子級(jí)平整界面的二維異質(zhì)結(jié)器件,不但能大幅提高器件效率、大大降低器件的尺寸,更重要的是通過(guò)層間耦合、近鄰效應(yīng)等相互作用,有望在二維異質(zhì)結(jié)器件中獲取新的拓?fù)鋺B(tài)、磁序,以及新的相互作用模式,從而激發(fā)功能實(shí)現(xiàn)的新邏輯.更進(jìn)一步來(lái)講,利用二維材料的多功能性,可以通過(guò)堆疊不同功能材料,實(shí)現(xiàn)集傳感-運(yùn)算-存儲(chǔ)于一身的多功能集成器件,實(shí)現(xiàn)“全二維自旋電子器件”.

本綜述將總結(jié)和討論最近拓?fù)洳牧霞岸S材料在自旋電子器件研究中取得的進(jìn)展.第2 節(jié)著重介紹拓?fù)洳牧?磁性異質(zhì)結(jié)器件;第3 節(jié)討論二維磁性材料與相關(guān)自旋電子器件的研究;第4 節(jié)主要總結(jié)目前全范德瓦耳斯層狀材料組成的拓?fù)洳牧?二維磁性材料器件的發(fā)展.最后,將總結(jié)拓?fù)洳牧?、二維材料在自旋電子器件應(yīng)用中面臨的主要挑戰(zhàn)及未來(lái)展望.

2 拓?fù)?磁性異質(zhì)結(jié)的自旋器件

近年來(lái),拓?fù)浣^緣體已經(jīng)成為了自旋電子學(xué)的新興材料[4,22–28].拓?fù)浣^緣體的一個(gè)顯著特征是其表面態(tài)電子的動(dòng)量和自旋被鎖定為相互垂直的方向.由外加電流引起的費(fèi)米面平移可以在拓?fù)浣^緣體的表面產(chǎn)生凈自旋極化,如圖1 所示.自旋積累擴(kuò)散到相鄰的磁性層,其自旋角動(dòng)量可以在磁體上施加自旋軌道力矩[29,30],從而操控磁性材料的磁矩.除本征拓?fù)浣^緣體以外,研究表明在具有手性邊緣態(tài)的磁性拓?fù)浣^緣體中,當(dāng)存在類手性對(duì)稱時(shí),這種邊緣態(tài)在邊界處表現(xiàn)出拓?fù)浞€(wěn)定的自旋紋理[31].

圖1 (a) 拓?fù)浣^緣體表面態(tài)中自旋動(dòng)量鎖定引起的螺旋自旋結(jié)構(gòu).箭頭表示每個(gè)波矢k 中的自旋磁矩σ 方向,其方向與自旋角動(dòng)量相反;(b) 沿+x方向施加電流,將在 電子的自旋和波矢處于正交方向的位置產(chǎn)生非平衡自旋積累[29,30]Fig.1.(a) Spiral spin structure caused by spin momentum locking in the surface state of topological insulator.Arrow indicates the direction of the spin magnetic moment σ of each wave vector k,which is opposite to the spin angular momentum;(b) applying current in the +x direction will generate non equilibrium spin accumulation at the position where the electron’s spin and wave vector are orthogonal[29,30].

傳統(tǒng)SOC 層常用的自旋流材料是Pt,Ta,Hf,W[1,2,32–36].后來(lái)研究發(fā)現(xiàn)合金可以提高體系的自旋霍爾角 (spin Hall angle,SHA),比如AuW,AuPt,CuBi 等[37–43].除了單層金屬和合金外,還可通過(guò)在重金屬雙層或多層的結(jié)構(gòu)中使用插入層來(lái)修飾界面的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)整體SHA 的提升.但是,由于重金屬本身的自旋霍爾效應(yīng)比較弱,受雜質(zhì)散射的影響較大,因此SHA 的提高也遇到了很大的瓶頸.拓?fù)浔砻鎽B(tài)由于自旋-動(dòng)量鎖定效應(yīng),且受時(shí)間反演保護(hù),能有效抑制散射,單位電流可以對(duì)磁性材料產(chǎn)生的自旋軌道矩 (spin-orbit troque,SOT) 比重金屬要大很多[44,45].基于拓?fù)浣^緣體的SOT 效應(yīng)在面內(nèi)各向異性磁性金屬 (包括NiFe 和CoFeB)的異質(zhì)結(jié)中首先發(fā)現(xiàn)[46–48].后來(lái),研究人員采用了具有體垂直磁各向異性 (perpendicular magnetic anisotropy,PMA)的鐵磁和亞鐵磁以及具有緩沖層的磁性多層作為磁性層,在具有PMA 的異質(zhì)結(jié)中也觀測(cè)了到高的SOT,并且臨界翻轉(zhuǎn)電流密度的量級(jí)為105—106A/cm2,與傳統(tǒng)重金屬體系相比,臨界翻轉(zhuǎn)電流密度降低了1 個(gè)量級(jí)[49–53].人們通過(guò)利用自旋矩-鐵磁共振 (ST-FMR,S-F)、反?；魻柣鼐€偏移 (loop shift,L-S) 和二次諧波測(cè)量(second harmonic,S-H) 等測(cè)量方法在各種拓?fù)浣^緣體/磁性異質(zhì)結(jié)中得到了體系SHA,但是SHA存在很大的差異 (0.1—425)[46,49–51,53–57],見表1.這些差異的基本物理原理仍然沒有定論,通常歸因于: 1) 拓?fù)浣^緣體的高電阻可能會(huì)引起自旋電流分流效應(yīng);2) 拓?fù)浣^緣體與磁性層界面處的能帶雜化或者磁近鄰效應(yīng);3) 拓?fù)浣^緣體的質(zhì)量,包括結(jié)晶度,表面缺陷,載流子濃度等;4) 測(cè)量溫度以及界面自旋透明度等.

表1 不同異質(zhì)結(jié)構(gòu)的自旋霍爾角 (θSH),臨界翻轉(zhuǎn)電流密度 (Jc)Table 1.Spin Hall angles (θSH) and critical switching current density (Jc) of different heterostructures.

實(shí)驗(yàn)上得到的轉(zhuǎn)換效率存在巨大差異,以及其不清晰的原理機(jī)制,也使人們對(duì)于拓?fù)浔砻鎽B(tài)在提高電荷-自旋轉(zhuǎn)換效率方面發(fā)揮的實(shí)質(zhì)作用產(chǎn)生了一定的爭(zhēng)議.研究人員通過(guò)調(diào)控費(fèi)米能級(jí)位置,研究費(fèi)米能級(jí)與拓?fù)浔砻鎽B(tài)間相對(duì)關(guān)系對(duì)電荷-自選轉(zhuǎn)換效率的影響.Fan 等[57]通過(guò)柵壓調(diào)控費(fèi)米能級(jí)位置,研究了磁性摻雜拓?fù)浣^緣體的SOT,發(fā)現(xiàn)當(dāng)費(fèi)米能級(jí)在狄拉克點(diǎn) (Dirac point,DP) 附近時(shí)能得到最大的凈自旋電流/總電流比,且該比值與所測(cè)的SOT 有效場(chǎng)隨柵壓的調(diào)控呈一致的演化,如圖2(a)所示.Wu 等[54]通過(guò)改變(Bi1–xSbx)2Te3中Sb 成分的濃度來(lái)調(diào)控費(fèi)米面的位置,如圖2(b)所示,發(fā)現(xiàn)當(dāng)拓?fù)浣^緣體的費(fèi)米面接近DP 時(shí),塊體的絕緣性能和拓?fù)浔砻鎽B(tài)的數(shù)量達(dá)到最大值的同時(shí),系統(tǒng)擁有最強(qiáng)的SOT 有效場(chǎng)及翻轉(zhuǎn)效率.Kondou 等[22]同樣利用改變(Bi1–xSbx)2Te3中Sb成分的濃度來(lái)調(diào)控費(fèi)米面的位置,利用ST-FMR研究了界面電荷-自旋轉(zhuǎn)換效率與費(fèi)米能級(jí)位置的關(guān)系.然而其結(jié)果表明,當(dāng)EF穿過(guò)DP 時(shí),在低溫(10 K) 下SOT 效率顯著降低,如圖2(c)所示,并將其歸因于DP 附近費(fèi)米動(dòng)量的不均勻以及螺旋自旋結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定.拓?fù)浔砻鎽B(tài)在提高電荷-自旋轉(zhuǎn)換效率及SOT 效率方面的具體物理過(guò)程和物理機(jī)制還需要更深入的研究.

圖2 (a) 通過(guò)柵壓調(diào)控費(fèi)米能級(jí)示意圖,凈自旋極化電流/總電流比 (左縱軸) 與SOT 有效場(chǎng)(右縱軸) 隨柵壓的演化[57];(b1) (Bi,Sb)2Te3中不同Sb 濃度的費(fèi)米能級(jí)位置示意圖;(b2) 二維載流子密度n2D 和電阻率ρxx,作為(Bi,Sb)2Te3 中Sb 濃度的函數(shù);(b3) Jc 和SOT有效場(chǎng)與Sb 濃度的函數(shù)關(guān)系[54];(c) (Bi,Sb)2Te3 中不同Sb 濃度的費(fèi)米能級(jí)位置示意圖以及界面電荷-自旋轉(zhuǎn)換效率與Sb 成分的函數(shù)關(guān)系[22]Fig.2.(a) Schematic view of Fermi level regulation by gate voltage and corresponding evolution of net spin polarization current/total current ratio (left longitudinal axis) and SOT effective field (right longitudinal axis) with gate voltage[57];(b1) Fermi energy level positions of different Sb concentrations in (Bi,Sb)2Te3;(b2) two-dimensional carrier density n2D and resistivity ρxx,as a function of Sb concentration in (Bi,Sb)2Te3;(b3) correlation between the effective fields of SOT and Jc and the concentration of Sb[54];(c) schematic diagram of Fermi energy level positions at different Sb concentrations in (Bi,Sb)2Te3,and correlation between interface charge spin conversion efficiency and Sb concentration[22].

此外,在具有磁性拓?fù)浣^緣體(MTI)的系統(tǒng)中也有基于TIs 的SOT 的相關(guān)研究.Fan 等[58]設(shè)計(jì)制備出了拓?fù)浣^緣體/磁性拓?fù)浣^緣體[(Bi0.5Sb0.5)2Te3/(Cr0.08Bi0.54Sb0.38)2Te3]異質(zhì)結(jié),并在低于10 K 的工作溫度下成功實(shí)現(xiàn)了SOT 驅(qū)動(dòng)的磁化翻轉(zhuǎn),在極低溫度1.9 K 下獲得的臨界翻轉(zhuǎn)電流密度為8.9×104A/cm2,測(cè)得的SHA 高達(dá)425.隨后,科研人員發(fā)現(xiàn)在MTI 系統(tǒng)中的非對(duì)稱磁振子散射引起的電流非線性霍爾效應(yīng)可能導(dǎo)致MTI體系的SHA 偏大 (臨界翻轉(zhuǎn)電流密度為2.5×106A/cm2,與基于重金屬的系統(tǒng)相當(dāng))[59].此外,由于MTI 還保留了能帶反轉(zhuǎn)特征,因此拓?fù)浔砻鏍顟B(tài)也應(yīng)該存在于MTI 的表面中,科研人員在GaAs/MTI/AlOx異質(zhì)結(jié)中,采用加?xùn)艍旱姆椒ɡ迩辶吮砻骐娮用芏群蚐OT 效率之間的關(guān)系,揭示了拓?fù)浔砻鎽B(tài)在TIs 基結(jié)構(gòu)中SOT 產(chǎn)生的關(guān)鍵作用[55].

到目前為止,實(shí)驗(yàn)室中制備高質(zhì)量TIs 基的異質(zhì)結(jié)薄膜的方法多數(shù)為分子束外延 (molecular beam epitaxy,MBE),但是MBE 設(shè)備造價(jià)昂貴且不能大規(guī)模運(yùn)用至工業(yè)化生產(chǎn),同時(shí)TIs 的電阻率太大,不符合工業(yè)應(yīng)用的節(jié)能要求.因此,科研人員考慮是否可以利用工業(yè)生產(chǎn)中成熟的磁控濺射技術(shù)(sputter)制備出高質(zhì)量的拓?fù)浣^緣體材料,隨后Dc 等[52]率先使用磁控濺射技術(shù)沉積了BixSe1–x薄膜拓?fù)浣^緣體材料并且獲取巨大的SHA,此外該工作也實(shí)現(xiàn)了室溫SOT 翻轉(zhuǎn).濺射多晶Bi2Se3也被證明可以產(chǎn)生大的θSH,同時(shí)實(shí)現(xiàn)較低的臨界翻轉(zhuǎn)電流密度[60–64].濺射薄膜方法可能是當(dāng)前半導(dǎo)體制造中采用的實(shí)用方法之一.

3 二維磁性材料與相關(guān)自旋電子器件

自從石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來(lái)[65],二維范德瓦耳斯(van der Waals,vdW) 材料家族不斷壯大,迅速的擴(kuò)展到各種具有奇異性質(zhì)的材料,一系列新穎的物理現(xiàn)象不斷被發(fā)現(xiàn).但二維vdW 磁性材料在十多年間一直是該家族缺失的一員.直到2016年,二維反鐵磁性才在單層FePS3中被發(fā)現(xiàn)[66].隨后,Huang 等[11]于2017年發(fā)現(xiàn)單層CrI3和雙層Cr2Ge2Te6被具有鐵磁性.緊接著,Deng 等[67]證實(shí)另一種vdW 層狀材料Fe3GeTe2中也存在二維本征鐵磁性.并且他們還通過(guò)鋰離子插層技術(shù)將少層Fe3GeTe2的居里溫度 (Curie temperature,TC)提高至室溫以上,打開了二維本征磁性材料的研究大門,也為自旋電子學(xué)的發(fā)展拓寬了道路.

二維vdW 磁性材料具有原子級(jí)平坦表面、表面無(wú)懸掛鍵等特點(diǎn),且層間只存在范德瓦耳斯力,可以提供高質(zhì)量界面,增加構(gòu)建異質(zhì)結(jié)的自由度,從而提高器件性能.其低維的特征可以大幅度降低自旋電子器件的尺寸,是實(shí)現(xiàn)全二維自旋電子器件的基石.此外二維磁性材料最大的優(yōu)勢(shì)在于它有更高效的磁性可調(diào)控性,如界面調(diào)控、磁電調(diào)控、應(yīng)變調(diào)控等.這些調(diào)控方式一般通過(guò)改變二維材料或異質(zhì)結(jié)的對(duì)稱性、電荷分布、費(fèi)米能級(jí)、價(jià)態(tài)、軌道占據(jù)、軌道雜化等性質(zhì)實(shí)現(xiàn).

二維磁性材料層間雖只存在范德瓦耳斯力,然而層間仍有可觀的耦合相互作用,其磁性對(duì)不同的堆疊方式、層數(shù)、異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面等較為敏感.如Cr I3中發(fā)現(xiàn)的隨層數(shù)變化,材料在鐵磁和反鐵磁性間交替變化的現(xiàn)象[17,18].Fe3GeTe2的TC隨層數(shù)不同而變化等[12].在轉(zhuǎn)角CrI3中,還觀測(cè)到了由摩爾超晶格提供的周期性堆疊順序變化引起的鐵磁與反鐵磁織構(gòu)交替出現(xiàn)[68].此外,在異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面中也觀測(cè)到了明顯的二維磁性的界面耦合調(diào)控效果.Liu 等[69]發(fā)現(xiàn)Fe3GeTe2/CrSb 超晶格結(jié)構(gòu)中,通過(guò)界面Cr 層自旋極化電子摻雜引起Fe3GeTe2的TC增強(qiáng).Wu 等[70]構(gòu)造了Fe3GeTe2/Cr2Ge2Te6異質(zhì)結(jié),通過(guò)異質(zhì)結(jié)界面處的Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用在界面兩側(cè)的磁性材料同時(shí)誘導(dǎo)出了不同的磁斯格明子結(jié)構(gòu),如圖3(a)和圖3(b)所示,其研究結(jié)果表明通過(guò)合理的設(shè)計(jì)多層二維vdw磁性材料堆疊,可以在垂直方向上形成不同的磁斯格明子結(jié)構(gòu),為基于磁斯格明子的自旋電子學(xué)器件設(shè)計(jì)提供了新的角度.

圖3 (a) Cr2Ge2Te6 側(cè)觀測(cè)到的磁斯格明子;(b) Fe3GeTe2 側(cè)觀測(cè)到的磁斯格明子[70];(c) 雙層CrI3 磁序的電切換,插圖描述了不同磁場(chǎng)和電場(chǎng)作用下磁狀態(tài)[71];(d) 三層Fe3GeTe2 中,以柵壓和溫度為函數(shù)的磁相圖[67];(e) Fe3GeTe2 的透視圖(石板藍(lán)色和藍(lán)色球分別代表Fe3+和Fe2+;虛線箭頭表示鐵原子間的自旋交換耦合)[74]Fig.3.(a) Skyrmion lattice observed on the Cr2Ge2Te6 side;(b) skyrmion lattice observed on the Fe3GeTe2 side[70];(c) electrical switching of the magnetic order in bilayer CrI3,and the insets depict the magnetic states under different magnetic and electric fields[71];(d) phase diagram of the trilayer Fe3GeTe2 sample as the gate voltage and temperature are varied[67];(e) perspective view of Fe3GeTe2 (The slate-blue and blue balls represent the Fe3+ and Fe2+;Dashed arrows indicate spin exchange coupling between Fe atoms)[74].

利用電場(chǎng)對(duì)二維材料中的磁性進(jìn)行調(diào)控引起了許多人的關(guān)注和興趣,因?yàn)殡娏鞑煌ㄟ^(guò)材料,從而不會(huì)產(chǎn)生熱量和干擾在磁性非易失存儲(chǔ)器中的寫入.而二維材料比普通薄膜對(duì)電場(chǎng)更加敏感,因此在磁電調(diào)控方面具有巨大的潛力.Jiang 等[71]以反鐵磁雙層CrI3作為基態(tài)構(gòu)建了場(chǎng)效應(yīng)器件,通過(guò)在器件中施加?xùn)艠O電壓進(jìn)行磁性調(diào)控并結(jié)合磁圓二色性顯微鏡檢測(cè)磁性,證明外加電場(chǎng)可以產(chǎn)生層間電勢(shì)差,從而實(shí)現(xiàn)線性磁電耦合,進(jìn)而在恒定磁場(chǎng)下通過(guò)電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)鐵磁態(tài)和反鐵磁態(tài)的相互轉(zhuǎn)變(圖3(c)).此外,二維磁體還能通過(guò)靜電摻雜實(shí)現(xiàn)磁電調(diào)控.Wang 等[72]對(duì)Cr2Ge2Te6進(jìn)行了靜電摻雜,使Cr2Ge2Te6飽和磁化強(qiáng)度上升;Verzhbitskiy等[73]也進(jìn)行了相同的工作,發(fā)現(xiàn)當(dāng)電子摻雜濃度為4×1014cm–2時(shí),TC從61 K 提高至200 K,且磁各向異性由面外變?yōu)槊鎯?nèi).通過(guò)鋰離子插層技術(shù),Deng 等[67]研究發(fā)現(xiàn)高濃度的電子摻雜 (每層1014cm–2) 會(huì)導(dǎo)致Fe3GeTe2電子能帶的偏移,費(fèi)米能級(jí)上的電子態(tài)密度的大幅度變化導(dǎo)致鐵磁性的明顯調(diào)制,圖3(d)為TC與柵壓相關(guān)的磁相圖,可以看出施加2 V 的柵壓Vg時(shí),TC從100 K 提升至300 K.

應(yīng)變調(diào)控是一種簡(jiǎn)單而有效的磁性調(diào)控方式.應(yīng)力可以改變二維磁性材料層間距和晶格結(jié)構(gòu),改變磁耦合方式,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁性的調(diào)控.Wang 等[74]研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)對(duì)Fe3GeTe2施加單向拉伸應(yīng)力,可以改變?cè)摼w的結(jié)構(gòu) (圖3(e)),進(jìn)而影響其磁晶各向異性能,當(dāng)施加的應(yīng)變?yōu)?.32%時(shí),矯頑場(chǎng)顯著增加,且隨著應(yīng)力的增大,Fe3GeTe2的TC呈線性增加.值得注意的是,實(shí)驗(yàn)還證實(shí)了對(duì)Fe3GeTe2施加的應(yīng)變從0.65%提升至0.71%時(shí)可以實(shí)現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn).Chen 等[75]將單層CrI3和單層MoTe2組成異質(zhì)結(jié),將CrI3的TC提升至60 K,并通過(guò)施加4.2 GPa 的面外壓力,減小了界面的層間距,引入了額外的自旋超交換 (Cr-Te-Cr) 路徑,使TC可以進(jìn)一步提高到85 K.

除了上述對(duì)磁性調(diào)控的研究,基于二維磁性材料的各種自旋電子器件的研究也引起了大量關(guān)注.Song 等[76]研究了使用CrI3薄片作為自旋過(guò)濾層的二維材料磁性隧道結(jié),器件結(jié)構(gòu)如圖4(b)所示,Cr I3夾在少層石墨烯之間.圖4(a)為雙層CrI3磁性狀態(tài)的示意圖,左圖為層狀反鐵磁態(tài),其在零磁場(chǎng)下抑制隧穿電流,中間和右邊兩圖分別為面外磁化和面內(nèi)磁化的完全自旋極化態(tài),不抑制隧穿電流.低溫下,在具有4 層CrI3勢(shì)壘的磁性隧道結(jié)中觀測(cè)到高達(dá)19000%的磁電阻比,遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)自旋電子學(xué)器件.Lan 等[77]使用二維反鐵磁體Cr SBr作為中間層構(gòu)造了磁性隧道結(jié),在5 K 下觀測(cè)到了高達(dá)47000%的隧穿磁阻比,在130 K 也觀測(cè)到50%的隧穿磁阻比.Wang 等[78]則構(gòu)造了如圖4(c)所示的Fe3GeTe2/h-BN/Fe3GeTe2異質(zhì)結(jié),通過(guò)反?；魻枩y(cè)試觀測(cè)到低溫下160%的隧穿磁電阻.Albarakati 等[79]在Fe3GeTe2/graphite/Fe3GeTe2異質(zhì)結(jié)中發(fā)現(xiàn)了罕見的反對(duì)稱磁阻,相比于傳統(tǒng)的巨磁阻器件只有兩個(gè)阻態(tài),此器件實(shí)現(xiàn)了高、中、低三個(gè)阻態(tài).此外,TMDs 也常被用做異質(zhì)結(jié)中間層.Zheng 等[80]構(gòu)造了Fe3GeTe2/WSe2/Fe3GeTe2異質(zhì)結(jié),通過(guò)減小WSe2厚度實(shí)現(xiàn)了負(fù)磁阻 (–4.3%)到正磁阻 (+25.8%) 的變化;Lin 等[81]構(gòu)造了Fe3GeTe2/MoSe2/Fe3GeTe2自旋閥器件,觀察到3.1%的磁電阻,為傳統(tǒng)鐵磁電極自旋閥的8 倍;Zhu 等[82]構(gòu)造了Fe3GaTe2/WSe2/Fe3GaTe2異質(zhì)結(jié),其磁電阻在10 K 時(shí)達(dá)到了164%,并且在室溫下具有85%的磁電阻信號(hào),首次在全二維范德瓦耳斯磁性隧道結(jié)中實(shí)現(xiàn)了巨大的室溫隧穿磁電阻.除了各類磁異質(zhì)結(jié),基于二維磁性材料的SOT 器件的磁性調(diào)控研究也引起了廣泛的興趣.如圖4(d)所示[83],在Fe3GeTe2/Pt 異質(zhì)結(jié)構(gòu)中,Pt 中x方向的電荷電流由于自旋霍爾效應(yīng)產(chǎn)生z方向的自旋流,該自旋流在界面產(chǎn)生自旋積累,從而對(duì)Fe3GeTe2產(chǎn)生力矩作用.圖4(e)為溫度為100 K 時(shí)在50 mT 面內(nèi)磁場(chǎng)輔助下實(shí)現(xiàn)電流驅(qū)動(dòng)的磁化翻轉(zhuǎn),值得注意的是,SOT 操縱的兩種霍爾電阻態(tài)不是完全飽和的,研究人員將其歸因于熱效應(yīng).電流驅(qū)動(dòng)磁化翻轉(zhuǎn)同樣也能在絕緣二維鐵磁體Cr2Ge2Te6中實(shí)現(xiàn),例如Cr2Ge2Te6和Pt 或Ta 的雙層器件[84,85],電流通過(guò)Pt 或Ta 產(chǎn)生自旋極化,在Cr2Ge2Te6/重金屬界面產(chǎn)生自旋積累,使Cr2Ge2Te6磁化翻轉(zhuǎn).此外,通過(guò)電流感生SOT 產(chǎn)生磁化翻轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)已在全vdW 異質(zhì)結(jié)上實(shí)現(xiàn),將在第4 節(jié)討論.

圖4 (a) 雙層CrI3 的磁狀態(tài)示意圖;(b) 二維自旋過(guò)濾磁性隧道結(jié)示意圖[76];(c) Fe3GeTe2/hBN/Fe3GeTe2 的磁性隧道結(jié)示意圖[78];(d) Fe3GeTe3/Pt 雙層結(jié)構(gòu)示意圖;(e) Fe3GeTe2/Pt 雙層器件中SOT 驅(qū)動(dòng)的垂直磁化翻轉(zhuǎn)[83]Fig.4.(a) Schematic view of magnetic states in bilayer CrI3;(b) schematic view of 2D spin-filter magnetic tunnel junction[76];(c) schematic view of magnetic tunnel junction for Fe3GeTe2/hBN/Fe3GeTe2[78];(d) schematic view of the bilayer structure for Fe3GeTe2/Pt;(e) SOT-driven perpendicular magnetization switching in the Fe3GeTe2/Pt bilayer device[83].

4 全范德瓦耳斯拓?fù)?磁性異質(zhì)結(jié)和自旋器件

目前大多數(shù)熱點(diǎn)拓?fù)洳牧暇鶠関dW 材料,隨著近年來(lái)越來(lái)越多高性能二維vdW 磁性材料的發(fā)現(xiàn),全vd W 拓?fù)?磁性異質(zhì)結(jié)和自旋器件成為了新的研究前沿.全vdW 材料間只存在范德瓦耳斯力,組裝工藝不受限于晶格匹配或加工相容性[86],能充分發(fā)揮拓?fù)洳牧霞岸S磁性材料的潛力,進(jìn)一步提高器件表現(xiàn).此外vdW 拓?fù)洳牧霞岸S磁性材料擁有強(qiáng)烈層間耦合作用,使異質(zhì)結(jié)展現(xiàn)出奇特的層間及界面調(diào)控現(xiàn)象;異質(zhì)結(jié)具有原子級(jí)光滑界面能高效的發(fā)揮近鄰效應(yīng)[87,88].綜上,全vdW 拓?fù)?磁性異質(zhì)結(jié)不單單是對(duì)兩者的簡(jiǎn)單功能組合,兩者的相互作用或能激發(fā)新奇的物理現(xiàn)象,產(chǎn)生新的功能實(shí)現(xiàn)機(jī)制.

如前文所述,目前已有部分基于全vdW 材料的拓?fù)?磁性異質(zhì)結(jié)和自旋器件被報(bào)道,如(Bi1–xSbx)2Te3/Fe3GeTe2[89]和Bi2Te3/Fe3GeTe2[90]等,它們的典型臨界電流密度為106—107A?cm–2,與重金屬/鐵磁異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的臨界電流密度大小相當(dāng).其中,(Bi1–xSbx)2Te3/Fe3GeTe2雙層器件的臨界翻轉(zhuǎn)電流密度隨Sb 濃度的增加而增大 (圖5(a)),而該雙層器件的臨界翻轉(zhuǎn)電流密度在106A?cm–2量級(jí) (圖5(b)).Wang 等[90]利用MBE 技術(shù)制備出具有高界面質(zhì)量的Bi2Te3/Fe3GeTe2異質(zhì)結(jié)構(gòu),不但提高了FGT 的TC而且在低電流密度約為2.2×106A/cm2下實(shí)現(xiàn)了電流驅(qū)動(dòng)的磁化翻轉(zhuǎn),其類阻尼SOT 效率高達(dá)約0.7.此外,傳統(tǒng)的重金屬/鐵磁雙層膜結(jié)構(gòu)受限于對(duì)稱性,通常產(chǎn)生的類阻尼力矩只能是面內(nèi)方向,因此很難高效的驅(qū)動(dòng)PMA 磁結(jié)構(gòu)器件進(jìn)行磁化翻轉(zhuǎn).通過(guò)構(gòu)建低對(duì)稱性的異質(zhì)結(jié)構(gòu),利用對(duì)稱性破缺能更有效的驅(qū)動(dòng)二維PMA 磁性材料的SOT 磁化翻轉(zhuǎn).Shao 等[91]研究了 WTe2/Fe3GeTe2結(jié)構(gòu)中電流驅(qū)動(dòng)的磁化翻轉(zhuǎn),發(fā)現(xiàn)由 WTe2/Fe3GeTe2界面低導(dǎo)熱而產(chǎn)生的焦耳熱可以有效地調(diào)制Fe3GeTe2的矯頑力大小,在10 K 時(shí),Fe3GeTe2的矯頑場(chǎng)大小隨電流大小 (焦耳熱) 的變化梯度 (ΔHc/ΔJFGT) 高達(dá)0.55 kOe?MA–1cm2.Shin 等[92]在全二維體系異質(zhì)結(jié)構(gòu)WTe2/Fe3GeTe2中實(shí)現(xiàn)了SOT 磁化翻轉(zhuǎn),利用電荷流經(jīng)異質(zhì)結(jié)的低對(duì)稱面而產(chǎn)生面外的類阻尼力矩,在面內(nèi)磁場(chǎng)的輔助下實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁性層Fe3GeTe2的磁矩翻轉(zhuǎn);此外,在150 K 時(shí)該異質(zhì)結(jié)的翻轉(zhuǎn)電流密度顯著降低,達(dá)到3.90×106A?cm–2,比傳統(tǒng)的重金屬/鐵磁薄膜的翻轉(zhuǎn)電流密度小了一個(gè)數(shù)量級(jí) (圖5(c)和圖5(d)).Kao 等[93]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明,當(dāng)施加強(qiáng)電流時(shí),WTe2可以提供足夠強(qiáng)的平面外抗阻尼SOT,進(jìn)而在WTe2/Fe3GeTe2中實(shí)現(xiàn)熱輔助的無(wú)外磁場(chǎng)的SOT 驅(qū)動(dòng)磁性翻轉(zhuǎn),其中臨界電流密度為1010A?m–2量級(jí).這些結(jié)果表明,二維材料的低對(duì)稱性能有效幫助產(chǎn)生面外抗阻尼力矩,為非傳統(tǒng)SOT 驅(qū)動(dòng)的高效磁化翻轉(zhuǎn)提供了一條有前景的研究線路.

圖5 (a) 不同 Sb 組分下的 SOT 驅(qū)動(dòng)磁矩翻轉(zhuǎn)的電流密度[89];(b) Sb 組分與 SOT 驅(qū)動(dòng)磁矩翻轉(zhuǎn)的電流密度依賴關(guān)系[89];(c),(d) 30 mT面內(nèi)場(chǎng)輔助下的SOT 驅(qū)動(dòng)的磁矩翻轉(zhuǎn)[92]Fig.5.(a) Current density of SOT switching with different Sb component[89];(b) dependence of SOT switching current density on Sb composition[89];(c),(d) 30 mT in-plane field assisted SOT switching[92].

除了基于電學(xué)調(diào)控的二維自旋電子器件,超快太赫茲光自旋電子器件也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一.由于拓?fù)浣^緣體具有自旋動(dòng)量鎖定的表面態(tài),從而成為研究太赫茲自旋流的候選材料之一,也因此促進(jìn)了二維vd W 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的太赫茲光自旋電子學(xué)研究.Chen 等[94]研究了Fe3GeTe2/Bi2Te3異質(zhì)結(jié)構(gòu)中太赫茲自旋流的產(chǎn)生與控制,其數(shù)據(jù)如圖6(a)—(c)所示,實(shí)驗(yàn)證明Fe3GeTe2增強(qiáng)了Bi2Te3輻射的太赫茲光譜強(qiáng)度.圖6(d)顯示,樣品方向的翻轉(zhuǎn),會(huì)導(dǎo)致太赫茲光譜極性反轉(zhuǎn),進(jìn)而證明是電偶極子而非異質(zhì)結(jié)中的超快磁偶極子打破了空間反轉(zhuǎn)對(duì)稱性,引起自旋-電荷轉(zhuǎn)換 (spin-to-charge conversion,SCC),從而輻射太赫茲波.

圖6 (a) 飛秒激光脈沖激發(fā)和Fe3GeTe2/Bi2Te3 異質(zhì)結(jié)構(gòu)太赫茲輻射示意圖[94];(b) 在太赫茲時(shí)域波形圖中,Fe3GeTe2/Bi2Te3異質(zhì)結(jié)構(gòu)的太赫茲波明顯增強(qiáng)[94];(c) 圖6(b)的傅里葉變換圖譜;(d) Fe3GeTe2/Bi2Te3 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的太赫茲波極性翻轉(zhuǎn)[94]Fig.6.(a) Femtosecond laser pulse excitation and terahertz radiation schematic diagram of Fe3GeTe2/Bi2Te3 heterostructure[94];(b) in typical THz temporal waveforms,the terahertz wave of the Fe3GeTe2/Bi2Te3 heterostructure is significantly enhanced[94];(c) Fourier transform spectrum of Fig.6(b);(d) terahertz polarity reversal of Fe3GeTe2/Bi2Te3 heterostructures[94].

全vd W 拓?fù)?磁性異質(zhì)結(jié)和自旋器件除了上文介紹的具有自旋注入等功能外,異質(zhì)結(jié)界面還具有豐富的相互作用,能實(shí)現(xiàn)高效的磁性調(diào)控和新奇的物性及現(xiàn)象.如Bi2Te3/Fe3GeTe2異質(zhì)結(jié)中[95],Bi2Te3的拓?fù)浔砻鎽B(tài)和Fe3GeTe2產(chǎn)生的界面耦合,增強(qiáng)了Fe3GeTe2的磁序,使Fe3GeTe2的TC由230 K 提升至400 K.此外,全vd W 異質(zhì)結(jié)具有的原子級(jí)光滑的界面可以產(chǎn)生高效的近鄰效應(yīng),如二維鐵磁性材料可通過(guò)近鄰效應(yīng),在二維非磁性拓?fù)洳牧现幸腓F磁序等.Zhong 等[96]在全vd W異質(zhì)結(jié)Cr I3/WSe2中實(shí)現(xiàn)了具有層分辨的磁近鄰效應(yīng),實(shí)驗(yàn)上通過(guò)外磁場(chǎng)控制CrI3中單層的磁化狀態(tài),發(fā)現(xiàn)CrI3的界面主導(dǎo)了CrI3/WSe2之間的自旋相關(guān)電荷輸運(yùn),而近鄰交換場(chǎng)對(duì)整體層狀磁結(jié)構(gòu)高度敏感.Zhao 等[88]研究了全vdW 的反鐵磁CrI3與量子自旋霍爾絕緣體 (quantum spin Hall insulators,QSHIs) WTe2螺旋邊緣態(tài)的磁近鄰耦合,在WTe2的邊緣態(tài)中發(fā)現(xiàn)了對(duì)磁化狀態(tài)敏感的非互易電流,非線性的邊緣電導(dǎo)取決于最近鄰層CrI3的磁化強(qiáng)度與電流的相對(duì)方向 (圖7(a)),即通過(guò)改變CrI3的反鐵磁狀態(tài),可以產(chǎn)生較大的非互易電流.Li 等[97]將鐵磁絕緣體Cr2Ge2Te6與單層的WTe2組成異質(zhì)結(jié),通過(guò)磁近鄰效應(yīng)誘導(dǎo)WTe2產(chǎn)生鐵磁性 (圖7(b)),在這種磁化QSHIs中,明確地從局部輸運(yùn)探測(cè)中分離出了邊緣和內(nèi)部輸運(yùn).此異質(zhì)結(jié)邊緣處非零的反?；魻栃?yīng)和反常能斯特效應(yīng)響應(yīng) (圖7(c)和圖7(d)) 表明,磁化量子自旋霍爾絕緣體的邊緣狀態(tài)是部分自旋極化的,與量子反?；魻柦^緣體 (quantum anomalous Hall insulators,QAHIs) 的一維彈道手性邊和QSHIs的螺旋邊有質(zhì)的區(qū)別.

圖7 (a) 反鐵磁狀態(tài)控制的大非互易電流[88];(b) ML-WTe2/CGT 異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件的光學(xué)圖像[97];(c) 不同測(cè)試通道的反常能斯特電壓與磁場(chǎng)的依賴關(guān)系[97];(d) 歸一化后的反常能斯特電壓與溫度的依賴關(guān)系[97]Fig.7.(a) Large nonreciprocal current controlled by the antiferromagnetic state[88];(b) optical image of the ML-WTe2/CGT heterostructure device[97];(c) dependence of abnormal Nernst voltage on magnetic field in different test channels[97];(d) dependence of normalized anomalous Nernst voltage on temperature[97].

5 總結(jié)和展望

本文系統(tǒng)回顧了拓?fù)洳牧?、二維材料和全范德瓦耳斯異質(zhì)結(jié)等量子材料體系在自旋電子器件中的研究和潛在應(yīng)用價(jià)值.相比金屬材料體系,量子材料體系具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì),比如拓?fù)浔Ｗo(hù)性、強(qiáng)自旋軌道耦合和比較長(zhǎng)的自旋散射長(zhǎng)度等.但是,面向未來(lái)大規(guī)模的自旋電子器件和芯片的工業(yè)級(jí)應(yīng)用,還有一些關(guān)鍵性的科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題有待解決: 如何實(shí)現(xiàn)大尺寸的高質(zhì)量拓?fù)?二維材料制備;如何將拓?fù)?二維材料與現(xiàn)有自旋電子器件相集成;拓?fù)?二維自旋器件在尺縮極限下 (<10 nm) 的性能;具有穩(wěn)定性能和一致性的高密度陣列型拓?fù)?二維自旋器件和電路的設(shè)計(jì)和制備等.