西安交大刘明教授团队在集成化高性能自旋轨道力矩器件领域取得重要进展

通过自旋轨道力矩（SOT）实现电流驱动磁化翻转的技术，凭借其响应快、功耗低、稳定性高等核心优势，已成为发展下一代非易失性存储器、存内计算单元及自旋逻辑器件的重要物理基础。基于自旋轨道力矩效应构建的磁随机存储器（SOT-MRAM）被认为具有突破冯·诺依曼架构，重塑高性能存储技术格局的潜力。在自旋轨道力矩器件中，电流经由强自旋轨道耦合材料生成自旋流，对邻近铁磁层施加力矩并触发磁化翻转。其中自旋轨道力矩的大小直接决定了磁化翻转的效率与可靠性，因此实现自旋轨道力矩大小的调控与增强对器件的操作速度、功耗及逻辑架构设计起着重要作用。目前，基于多物理场耦合机制实现自旋轨道力矩的调控面临调控范围受限与驱动电压高的瓶颈，同时现有调控手段难以与现行硅基集成电路工艺兼容，进一步制约了可调自旋轨道转矩器件的性能功耗表现及其实用化、集成化发展。

针对上述科学问题，西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室，电子科学与工程学院刘明教授团队鲁琦及合作者基于硅基锆钛酸铅[Pb(Zr, Ti)O₃,PZT]薄膜实现了NiFe/PtO_x结构自旋轨道转矩器件的小电压高效自旋调控。通过设计器件结构在硅基压电薄膜上施加电压对NiFe/PtO_x自旋轨道转矩进行原位调控，调控效果具有良好的稳定性与可回复性。在30 V的小电压下最高实现了NiFe/PtO_x自旋轨道力矩450%的增强。

图1. 集成化高性能自旋轨道力矩器件及其调控(a)可调自旋轨道力矩器件结构示意图(b) 外加电压对PtO_x自旋自旋轨道力矩效率的增强调控(c)磁随机存储原型器件设计(d)调控电压对磁化翻转速度与性能的提升。

基于压电薄膜的器件设计在满足硅基集成化的同时，相比块体材料可在小电压下驱动产生更高的电场强度，进而实现“小电压”与“高调谐”的有效平衡。第一性原理计算表明电场诱导的应力与离子迁移可显著改变PtO_x费米能级处的贝里曲率，进而实现对自旋-电荷转化效率的提升与自旋轨道力矩的增强。结合电致应力对磁各向异性的有效调控，原型器件可实现对磁化翻转速度与功耗表现的显著提升。

该研究结果以“一种硅基CMOS工艺兼容的高可调谐自旋轨道力矩器件”(A Widely Tunable Spin-Orbit Torque Device Through the Silicon Compatible CMOS Platform)为题，在国际著名期刊《先进材料》(Advanced Materials)上发表，西安交通大学为该论文的唯一署名单位。论文第一作者为精密微纳制造技术全国重点实验室、电子科学与工程学院助理教授鲁琦，以及材料科学与工程学院助理教授刘福柱。刘明教授、彭斌教授和宗洪祥教授为论文的通讯作者。该工作得到精密微纳制造技术全国重点实验室，以及国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后基金特别资助等项目的支持。

论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202509228

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