通過自旋軌道矩(SOT)實現(xiàn)電流驅(qū)動磁化翻轉(zhuǎn)的方法，具有響應(yīng)快、功耗低、高穩(wěn)定性等天然優(yōu)勢，是開發(fā)下一代自旋存儲和邏輯器件的重要基礎(chǔ)?；谶@一原理設(shè)計的自旋軌道矩磁隨機(jī)存儲器(SOT-MRAM)有望成為新一代超高性能非易失性存儲器，具有廣闊的應(yīng)用前景。

在該器件中，電流流經(jīng)具有強(qiáng)自旋軌道耦合的非磁性材料并轉(zhuǎn)化為自旋流注入臨近的鐵磁層中實現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn)。自旋霍爾角作為衡量電荷流與自旋流轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵參數(shù)，直接影響到整個存儲器件的性能與功耗表現(xiàn)。因此，尋找具有強(qiáng)自旋軌道耦合與高自旋霍爾角的材料，是構(gòu)建低功耗自旋轉(zhuǎn)矩器件的核心訴求。近年來有報道Bi2Se3、Bi2Te3等拓?fù)浣^緣材料憑借其獨有的自旋-動量鎖定機(jī)制而具有極高的自旋霍爾角。如何通過原理與技術(shù)創(chuàng)新，對材料的自旋霍爾角實現(xiàn)調(diào)控與增強(qiáng)，在當(dāng)今自旋電子學(xué)領(lǐng)域具有重要的理論和應(yīng)用價值。

針對上述科學(xué)問題，西安交通大學(xué)電信學(xué)部劉明教授團(tuán)隊在PMN-PT襯底上構(gòu)建了Bi2Se3/NiFe結(jié)構(gòu)的霍爾器件。通過在襯底上原位施加縱向電場對Bi2Se3自旋霍爾角進(jìn)行調(diào)控，調(diào)控效果具有良好的穩(wěn)定性與可回復(fù)性，最高實現(xiàn)了Bi2Se3自旋霍爾角600%的增強(qiáng)。

通過設(shè)計對照實驗表明對Bi2Se3自旋霍爾角大范圍調(diào)控與增強(qiáng)的機(jī)理源自鐵電襯底的電致應(yīng)力與極化翻轉(zhuǎn)所帶來的表面電荷摻雜的雙重作用。第一性原理計算表明應(yīng)力與電荷摻雜可以顯著改變Bi2Se3費米能級處的貝里曲率，進(jìn)而對自旋霍爾角產(chǎn)生有效調(diào)控。該工作對自旋霍爾角的大范圍調(diào)控與增強(qiáng)可有效降低SOT-MRAM器件中磁化翻轉(zhuǎn)所需的臨界電流，在設(shè)計低功耗與可調(diào)諧自旋電子器件中具有重要意義。

該研究結(jié)果以“電場大范圍調(diào)控Bi2Se3自旋霍爾角”(Giant tunable spin Hall angle in sputtered Bi2Se3controlled by an electric field)為題，在國際著名期刊《自然通訊》(NatureCommunications)上發(fā)表，西安交通大學(xué)為該論文唯一署名單位。電信學(xué)部電子科學(xué)與工程學(xué)院博士生魯琦、材料科學(xué)與工程學(xué)院青年教師李平為論文共同第一作者。劉明教授、郭志新教授及青年教師董國華為論文共同通訊作者。

該工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目的資助。（來源：西安交大）