通過自旋軌道力矩(SOT)實現電流驅動磁化翻轉的技術，憑借其響應快、功耗低、穩定性高等核心優勢，已成為發展下一代非易失性存儲器、存內計算單元及自旋邏輯器件的重要物理基礎。基于自旋軌道力矩效應構建的磁隨機存儲器(SOT-MRAM)被認為具有突破馮·諾依曼架構，重塑高性能存儲技術格局的潛力。在自旋軌道力矩器件中，電流經由強自旋軌道耦合材料生成自旋流，對鄰近鐵磁層施加力矩并觸發磁化翻轉。其中自旋軌道力矩的大小直接決定了磁化翻轉的效率與可靠性，因此實現自旋軌道力矩大小的調控與增強對器件的操作速度、功耗及邏輯架構設計起著重要作用。目前，基于多物理場耦合機制實現自旋軌道力矩的調控面臨調控范圍受限與驅動電壓高的瓶頸，同時現有調控手段難以與現行硅基集成電路工藝兼容，進一步制約了可調自旋軌道轉矩器件的性能功耗表現及其實用化、集成化發展。
 

　　針對上述科學問題，西安交通大學精密微納制造技術全國重點實驗室，電子科學與工程學院劉明教授團隊魯琦及合作者基于硅基鋯鈦酸鉛[Pb(Zr, Ti)O3,PZT]薄膜實現了NiFe/PtOx結構自旋軌道轉矩器件的小電壓高效自旋調控。通過設計器件結構在硅基壓電薄膜上施加電壓對NiFe/PtOx自旋軌道轉矩進行原位調控，調控效果具有良好的穩定性與可回復性。在30 V的小電壓下最高實現了NiFe/PtOx自旋軌道力矩450%的增強。
 

　　圖1. 集成化高性能自旋軌道力矩器件及其調控(a)可調自旋軌道力矩器件結構示意圖(b) 外加電壓對PtOx自旋自旋軌道力矩效率的增強調控(c)磁隨機存儲原型器件設計(d)調控電壓對磁化翻轉速度與性能的提升。

 

　　基于壓電薄膜的器件設計在滿足硅基集成化的同時，相比塊體材料可在小電壓下驅動產生更高的電場強度，進而實現“小電壓”與“高調諧”的有效平衡。第一性原理計算表明電場誘導的應力與離子遷移可顯著改變PtOx費米能級處的貝里曲率，進而實現對自旋-電荷轉化效率的提升與自旋軌道力矩的增強。結合電致應力對磁各向異性的有效調控，原型器件可實現對磁化翻轉速度與功耗表現的顯著提升。
 

　　該研究結果以“一種硅基CMOS工藝兼容的高可調諧自旋軌道力矩器件”(A Widely Tunable Spin-Orbit Torque Device Through the Silicon Compatible CMOS Platform)為題，在國際著名期刊《先進材料》(Advanced Materials)上發表，西安交通大學為該論文的唯一署名單位。論文第一作者為精密微納制造技術全國重點實驗室、電子科學與工程學院助理教授魯琦，以及材料科學與工程學院助理教授劉福柱。劉明教授、彭斌教授和宗洪祥教授為論文的通訊作者。該工作得到精密微納制造技術全國重點實驗室，以及國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國博士后基金特別資助等項目的支持。