全自旋逻辑器件中垂直磁各向异性和非对称性的研究

As there is no charge involving in the manipulation and transport of information, pure spin current based all spin logic device can not only alleviate greatly the impact of Joule heating and Oersted field on its working life and stability，but also have significant advantages in power consumption, area and speed. However, the realization of this emerging device faces various challenges, for instance, large required spin current density, considerable back flow effect and low transport efficiency. Recent research progress demonstrated that, perpendicular magnetic anisotropy could reduce the current density required for magnetization switching and increase the switching speed; the resistance difference between input and output can suppress the back flow effect. In this project, we intend to take advantage of perpendicular magnetic anisotropy and asymmetry to investigate intensively all spin logic device in terms of material, mechanism and structure. In the aspect of material, we explore the efficient and stable material for spin transport channel. In the aspect of mechanism, we study the features of perpendicular-magnetic-anisotropy spin current in spin injection, transport and detection. In the aspect of structure, we study the geometrical and structural asymmetry, and propose a feasible structure design. The implementation of this project can provide theoretical and experimental bases for the fabrication of all spin logic device, and will be of great significance for the practical application of spin current.

由于信息的操作和传输没有电荷的参与，基于纯自旋流的全自旋逻辑器件不仅可以大大降低焦耳热效应和奥斯特磁场对器件工作寿命和稳定性的影响，同时在功耗、尺寸、速度等方面也具有显著的优势。然而，实现这一新型器件却面临着诸多挑战，例如，所需自旋流密度较大，自旋流回流效应明显，自旋输运效率较低等。近年来的研究进展发现，垂直磁各向异性可以降低磁化翻转所需电流密度，提高磁化翻转速度；输入端和输出端的电阻差可以抑制自旋流回流，增加自旋输运效率。本项目拟利用垂直磁各向异性和非对称性，从材料、机制和结构方面深入研究全自旋逻辑器件。材料方面，探索高效稳定的自旋输运材料；机制方面，研究垂直磁各向异性自旋流注入、输运和探测的特性；结构方面，研究几何和材料结构的非对称性，提出可行的结构设计。本项目的实施将为全自旋逻辑器件的制备提供理论和实验依据，并且对自旋流的实际应用具有重要意义。

基于电子自旋特性制造的自旋电子器件被广泛认为是“后CMOS时代”实现“三高一低” （高密度、高速、高可靠性和低功耗）需求的重要技术。目前主流的自旋电子器件大多是利用自旋极化电流激发的磁化翻转，例如，自旋转移矩效应。由于这些极化电流中仍然有电荷的流动，由此导致的焦耳热效应和奥斯特磁场必然会对器件的使用寿命和工作稳定性产生影响。同时，传统的自旋电子逻辑电路仍然需要大量的自旋和电荷相互转换的过程，无法充分发挥电子自旋的优势。因此，基于纯自旋流的全自旋逻辑器件，由于当中的信息操作和传输没有电荷参与，近年来得到了学术界和工业界的极大关注。.本项目重点从材料、机制和结构设计等方面对全自旋逻辑器件的垂直磁各向异性和非对称性进行研究。过去的三年中，取得的主要成果如下：.（1）我们研究了结构的非对称性对自旋流定向输运及相关效率的作用，设计非对称全自旋逻辑器件结构，利用微磁学仿真验证器件功能，为实验提供理论依据。.（2）我们研究了垂直磁各向异性材料体系中自旋流注入、输运和探测的具体过程，建立了相关的自旋流传输模型，并通过集成垂直磁各向异性材料体系下特有的辅助效应，例如，电压调控磁各向异性效应，优化全自旋逻辑器件结构，提升器件速度和功耗等方面性能。.（3）我们选用石墨烯这种具有超长自旋扩散距离的二维材料作为自旋流传输通道研究了自旋流调控机制，设计了自旋流多路分解器，为全自旋逻辑器件的级联提供支撑。.（4）面向整个自旋逻辑范畴，我们设计制备了多种器件和系统，可实现多种复杂逻辑计算功能，为未来全自旋逻辑器件的应用提供了扩展空间。.（5）在顺利完成以上项目预定的全部研究内容后，我们初步探索了非局部横向自旋阀的相关制备工艺，从二维材料转移和遮挡式沉积等多个技术路线寻求突破，为未来成功制备全自旋逻辑器件奠定实验基础。.在该项目的资助下，已在Advanced Electronic Materials、Physical Review Applied、Applied Physics Letters等国际期刊上发表论文10篇，会议论文3篇，另有3篇论文正在审稿中。