電場控制的反鐵磁自旋電子器件

【背景介紹】

反鐵磁性是具有兩個或多個磁性子晶格的磁階表現，該子晶格以總力矩為零的方式排列。路易斯·奈爾（Louis Néel）首先討論了這種磁性，反鐵磁序正是在以他名字命名的Néel溫度之上便消失了。Néel在1970年的獲諾獎演講中曾提到，反鐵磁體從理論上講是非常有趣的，但在當時似乎沒有任何應用。而隨著研究的深入，近年來反鐵磁自旋電子器件的興趣日益增長。與鐵磁體相比，反鐵磁性材料具有更快的自旋動力學特性和對雜散磁場的低靈敏度，這使其成為自旋電子存儲器件的理想選擇。一方面，反鐵磁自旋在外部磁場下的穩定性與自旋翻轉場HSF有關，其可達到100特斯拉以上。另一方面，零場反鐵磁共振頻率可以高達太赫茲（THz）。這表明反鐵磁體的自旋可以在皮秒的時間尺度上切換，這比鐵磁體的時間尺度快了三個數量級（≈ns）。由於各種理論和實驗研究，反鐵磁自旋電子學已經建立且正在迅速發展中。然而，反鐵磁階數參數的有效操縱仍是非常具有挑戰性的。由於已經有成功演示的控制反鐵磁自旋軸的方法發展，反鐵磁性的電場控制由於其低耗能的獨特優勢而受到越來越多的關注。

【成果簡介】

最近，Adv. Mater.在線刊登了北京航空航天大學劉知琪教授等總結的電場控制的反鐵磁自旋電子器件研究進展的綜述。題目是「Electric-Field-Controlled Antiferromagnetic Spintronic Devices」。在這篇綜述中，作者對包括使用應變，離子液體，介電材料和電化學離子遷移的反鐵磁自旋電子器件的電場調製等前沿研究進行了全面綜述。此外，作者還介紹了各種新興的主題研究，如Néel自旋軌道轉矩，手性自旋電子學，拓撲反鐵磁自旋電子學，各向異性磁阻，存儲器件，2D磁性以及與反鐵磁有關的磁離子調製。總之，作者強調了實現高質量的室溫反鐵磁隧道結，反鐵磁自旋邏輯器件和人工反鐵磁神經元的可能性。最後，作者期望這些總結將提供適當且具有前瞻性的觀點，以促進該領域的快速發展。

【圖文解讀】

1、引言

圖一

（a）在GaP襯底上生長的CuMnAs反鐵磁薄膜的掃描透射電子顯微鏡圖像；

（b）器件的顯微照片和測量配置示意圖；

（c）通過施加電流脈衝來控制橫向電阻；

（d）器件的磁場與橫向電阻存在的關係。

圖二

（a）反鐵磁性CuMnAs的磁性結構和電流感應開關機制的示意圖；

（b）器件的電子顯微鏡照片；

（c）通過入射太赫茲電場進行寫操作的示意圖；

（d）皮秒寫入脈衝的波形。

圖三

（a）反鐵磁Mn3GaN/Pt雙層的光學顯微鏡圖像和實驗幾何示意圖；

（b）霍爾電阻與電流密度的關係。

圖四

（a）由Pt和NiO雙層結構中的自旋電流驅動的THz反鐵磁振蕩器的示意圖；

（b, c）由電流感應的自旋傳遞轉矩驅動的傾斜反鐵磁矩旋轉的示意圖；

（d）振蕩器中反鐵磁矩旋轉的時間特性。

圖五

（a）裝置的掃描電子顯微鏡圖像；

（b）器件原理圖和測量方案；

（c, d）在NiFe和Cu之間檢測到的電阻對掃描磁場的依賴性。如插圖所示，（c）和（d）中Mn3Sn的反鐵磁三角矩的方向相反。

2、反鐵磁自旋電子器件的電場控制

2.1、壓電應變控制

近年來，鐵電氧化物通過形成鐵磁/鐵電或反鐵磁/鐵電複合異質結構而被廣泛用於控制磁序，並且已經成功地實現了有效的調製。鐵電氧化物是有效的絕緣材料，具有自發極化，可通過施加適當的電場來反轉。功能薄膜化的壓電應變調製可通過鐵電基板的極化切換獲得。通過將反鐵磁材料集成到鐵電基板上，可以利用電場感應的壓電應變實現高能效的反鐵磁器件。

圖六

（a）低於360 K的Mn3Pt的晶體和非共線三角形磁性結構；

（b）不同溫度下的異常霍爾效應；

（c）在0和4 kV cm-1的電場下ρ–T曲線；

（d）在0和4 kV cm-1的電場下的霍爾效應。

圖七

（a）Mn3NiN的晶體和磁性結構；

（b, c）Néel溫度和剩餘磁化強度的雙軸應變關係；

（d）在BaTiO3上生長的Mn3NiN薄膜的溫度依賴性磁化強度；

（e）SrTiO3上Mn3NiN膜在100和290 K時的霍爾電阻與磁場的關係；

（f）磁相圖作為雙軸應變和溫度的函數圖。

圖八

（a）50 nm厚的Mn3Sn/PMN-PT異質結構在150 °C的相對低溫下的低溫霍爾效應；

（b）同一樣品在200和300 K時的霍爾效應；

（c）在50至300 K的不同溫度下的磁阻，施加的磁場平行於測量電流；

（d）在3 T以下的各種溫度下的各向異性磁阻；

（e）Mn3Sn（50 nm）/LaAlO3（100 nm）/PMN-PT多鐵異質結構和場效應測量幾何圖；

（f）在柵極電場EG = 0和-3.6 kV cm-1下，Mn3Sn/LaAlO3/PMN-P異質結構的霍爾效應。

圖九

（a）在PMN–PT上生長的MnPt膜的X射線衍射圖；

（b）MnPt膜的電阻與電場的關係；

（c）在室溫下，在0、9和14 T的磁場下，由+1.87和-6.67 kV cm-1的電場觸發的高阻狀態和低阻狀態；

（d）低阻狀態下的自旋軸分布示意圖；

（e）MnPt和Mn3Pt膜在高達60 T的磁場下的磁阻。

圖十

（a）Mn L-edge的初始狀態和經+4和- 2 kV cm-1電場激發後的XMLD信號；

（b）Mn2Au器件的橫向電阻隨電流脈衝數的變化。

2.2、離子液體調製

隨著凝聚態物理和自旋電子學的不斷發展，調製反鐵磁自旋的新機制不斷出現。例如，電場控制離子液體門控已經引起了廣泛的關注，成為一種理想的控制反鐵磁材料的方法。與傳統的鐵電應變相比，離子液體門控具有響應快、能量損耗小等優點。

圖十一

（a）堆疊中正柵極電壓下的電荷分布示意圖以及MnIr交換彈簧的自旋結構；

（b）具有不同施加場的MnIr（3 nm）/[Co/Pt]多層膜的異常霍爾效應曲線；

（c）從異常霍爾效應曲線在10 K處提取的HE和HC；

（d）垂直磁場由施加的電壓感應產生的磁阻高達10 T。

圖十二

（a）不同電場的原位X射線衍射；

（b）電致變色的現象；

（c）SrCoO2.5中氫、氧離子遷移引起的三態可逆相變示意圖；

（d）與溫度有關的電阻，插圖顯示出三態電阻開關的模式。

圖十三

（a）3 uc LaMnO3薄膜在2 K下的霍爾載流子（電子或空穴）密度；

（b, c）分別在電子摻雜區和空穴摻雜區中隨溫度變化的磁阻；

（d）兩種模式下交換耦合參數J和畸變參數bl/bs，其中bl表示Mn3+離子與氧的鍵長，bs表示Mn3+離子與氧的鍵短。

圖十四

（a, c）離子液體澆鑄過程控制的平面內（FeCoB/Ru/FeCoB）和平面外（(Pt/Co)2/Ru/(Co/Pt)2）製備反鐵磁的示意圖；

（b, d）當Ru的厚度為0.92 nm時，電壓對Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida相互作用的調製；

（e）非平面合成反鐵磁體的tRu = 0.9 nm的原位磁性測量；

（f）在2.5 V施加電場下的域切換圖像。

2.3、介電材料對靜電載體的調製

除了上述方法外，使用介電材料進行靜電調製是另一種修改材料特性（包括電子或磁性特徵）的方法。不同於化學摻雜來調整材料系統的載流子濃度，靜電調製可以可逆地連續改變載流子密度，從而在不改變無序程度的情況下改變性能。通常，靜電調製的基本原理是將電場施加到任何吸引或驅散電荷的材料上，以形成一層電荷積累或耗盡的層，從而改變材料的載流子密度以改變其電子基態。

圖十五

（a, b）a）累積狀態和b）在0、1.5、3和6 T的磁場下LSMO中空穴的耗盡狀態，電阻率與溫度的函數關係圖；

（c）兩種極化狀態下的磁電阻與溫度的關係。

圖十六

（a）4k時的磁場門電壓磁相位示意圖；

（b）柵電壓(底部軸)和摻雜濃度n層間交換常數（頂部軸）的依賴關係J⊥（黑色、右軸）和自旋反轉過渡領域（藍色、左軸）；

（c）當載頻密度從0（黑色）到4.4×10-12cm–2（紅色）時，當載頻密度為1.1×10-12cm–2時，雙層CrI3膜的反射磁圓二向色信號隨外加磁場的變化。

2.4、反鐵磁性的電化學控制

使用離子遷移的電化學調製可能是調整反鐵磁性的另一種方法。

圖十七

（a）Ta/Ru/GdOx/Co/Pt霍爾棒結構的示意圖以及傳輸測量的幾何形狀；

（b）在200 ℃下放置10分鐘（紅線），施加- 625 kv cm−1電場6分鐘（藍線），施加+ 625 kv cm−1電場13分鐘（紫線），得到樣品的RH-HZ曲線；

（c）正柵電壓下的CoO還原和負柵電壓下Co氧化的示意圖。

3、展望

3.1、利用金屬反鐵磁氧化物的電場控制隧道結

總體而言，儘管近年來反鐵磁自旋電子學發展迅速，但與成熟的鐵磁自旋電子器件，如當代佔主導地位的信息存儲技術——硬碟和基於鐵磁薄膜的數據中心相比，整個領域仍處於起步階段。從內存設備的角度來看，在反鐵磁性的信號讀出設備實際應用仍然是困難的，因為它主要取決於各向異性所帶來的各向異性磁阻態密度和相對旋軌道耦合在反鐵磁性的材料，在室溫下很小，一般在0.1~1%。因此，開發室溫反鐵磁隧道結器件需要長期的努力。

圖十八

（a）27 nm厚RuO2/MgO（001）和RuO2/PMN–PT（110）異質結構的X射線衍射譜；

（b）RuO2/MgO異質結構的截面透射電子顯微鏡圖像；

（c）對於RuO2/MgO樣品，在50和300 K時，磁矩與磁場的關係最高達3 T；

（d）RuO2膜與柔軟的鐵磁Co90Fe10層在50 K時的交換偏壓；

（e）生長MgO的RuO2薄膜的電導率隨生長溫度和氧氣壓力的3D圖；

（f）在不同沉積和測量溫度下，在10-3Torr的氧氣壓力下製造的27 nm厚RuO2薄膜的薄層電阻的等高線圖。

3.2、電場控制反鐵磁自旋邏輯器件

傳統的集成電路基於互補金屬氧化物半導體（CMOS）電晶體，由於量子隧穿效應和玻耳茲曼暴政，它們已成為發展的瓶頸。當前，半導體晶片在尺寸，電壓和頻率縮放方面的工業進步已經放緩，並且摩爾定律也接近失敗。因此，已經提出了超越CMOS邏輯器件的新概念以進一步減小尺寸和功耗並提高響應速度。

圖十九

電場控制的反鐵磁自旋電晶體的示意圖。

3.3、電場控制的反鐵磁人工神經元器件

人腦基於神經元和突觸來傳遞和處理信息，這與傳統的CMOS邏輯器件有很大的不同。模擬生物神經元的運行和結構的人工神經元與傳統的信息計算裝置相比，具有結構新穎、速度快、能耗低、容錯能力強等優點。神經元運作的一個特點是脈衝信號，在生物學上稱為動作電位。值得注意的是，反鐵磁材料具有THz響應速度，可以產生皮秒級的脈衝信號，適用於人工神經元器件。

圖二十

（a）反鐵磁人工神經元器件的脈衝發生器示意圖；

（b, c）b）單個脈衝和c）離散脈衝組的生成；

（d, e）神經網絡中d）前神經元和e）後神經元的峰值。

圖二十一

（a）反鐵磁人工神經元器件示意圖；

（b, c）b) OR邏輯門、c)基於反鐵磁人工神經元器件的與邏輯門中的信號處理；

（d, e）基於反鐵磁人工神經元器件的全加法器的輸入d)和輸出信號e)。

4、總結與展望

在這篇綜述中，作者總結了電場控制的反鐵磁自旋電子器件的研究進展。作者首先詳細地介紹了反鐵磁自旋電子器件的電場調製的方法及發展現狀，討論並評價了包括使用應力，離子液體，介電材料和電化學離子遷移等電場調製的優缺點。作者認為，儘管這些方法在反鐵磁自旋電子器件的電場調製方面取得了一系列的研究成果，但仍有一些細節並沒有研究清楚。儘管存在著這些問題，但正是這些工作推動了一些相關理論的發展。因此，作者還進一步介紹了如Néel自旋軌道轉矩，手性自旋電子學，拓撲反鐵磁自旋電子學，各向異性磁阻，存儲器件，2D磁性以及與反鐵磁有關的磁離子調製等各種新興的主題研究。同時，作者還對高質量的室溫反鐵磁隧道結，反鐵磁自旋邏輯器件和人工反鐵磁神經元的方面進行了展望，並認為其為反鐵磁自旋電子存儲器件的商品化、超越互補金屬氧化物半導體（CMOS）的小尺寸低能耗新概念邏輯器件和模擬生物神經元系統等提供了研究思路。

文獻連結：

Electric-Field-Controlled Antiferromagnetic Spintronic Devices（Adv. Mater. 2020,1905603.）