单向自旋霍尔磁电阻效应（USMR）的反对称性对于研发磁性随机存储器（MRAM）具有重要意义。然而，传统体系在室温下的USMR效应较弱，导致信噪比低，限制了其实际应用的可靠性和有效性，因此亟需突破这一挑战。
近日，beat365中国唯一官方网站beat365中国唯一官方网站站乐娱城官网薛德胜教授和席力教授课题组在FeNi/Pt/Bi2Se3异质结构中，实现了室温下USMR的显著增强，并基于此开发了高性能的USMR-MRAM器件。研究成果以“Large unidirectional spin Hall magnetoresistance in FeNi/Pt/Bi2Se3 trilayers by Pt interfacial engineering”为题发表于《自然通讯》。
通过系统评估不同Pt厚度下的自旋轨道转矩（SOT）效率、自旋霍尔磁电阻和USMR比率，发现当Pt厚度约为1.5纳米时，室温下的USMR比率达到最优，较之前报道的值提高了一个数量级，达到了30.6 ppm/MA/cm²。这一显著增强的USMR效应得益于Pt的引入，它不仅保留了Bi2Se3的拓扑表面态，还产生了额外的Rashba表面态，同时增强了电子-磁子散射。这些发现得到了第一性原理计算和布里渊光散射实验的支持。
图1：（a）插入Pt层后拓扑表面态和Rashba表面态的示意图，(b) 展示了利用脉冲电流产生的y方向极化的自旋累积σ以及随后产生的自旋轨道力矩（左图）使MRAM器件的磁矩M沿y方向的写入过程，以及通过施加交流电检测二次谐波电压的读取过程（右图），(c) 不同体系中室温下USMR效应的比较。
利用显著的USMR效应，作者成功研制出一款双端口MRAM器件，该器件展现出低能耗、纳秒级快速写入以及高信噪比的优异读取特性。尤为突出的是，USMR-MRAM器件在高达70°C的温度下仍能维持卓越性能，彰显了其在广泛环境条件下的高度可靠性和应用潜力。高质量Bi₂Se₃拓扑绝缘体薄膜的磁控溅射制备方法和双端口设计，确保了与现有大规模三端口SOT-MRAM生产工艺的兼容性和优越性。
beat365中国唯一官方网站beat365中国唯一官方网站站乐娱城官网薛德胜教授和席力教授为该论文的通讯作者，2023级博士生张其为该论文的第一作者。论文合作者包括beat365中国唯一官方网站陶琨副教授、贾成龙教授、徐国福博士生、柴国志教授、崔宝山青年研究员、左亚路副教授和杨德政教授。该研究工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金重大研究计划重点项目、”111”计划和甘肃省自然科学基金的资助。
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https://www.nature.com/articles/s41467-024-53884-0
