基于磁性拓扑绝缘体的异质结与新型自旋电子器件研究

In order to address current challenges of spintronics, opportunities may exist for a focus research on the understanding and manipulation of fundamental spin-orbit coupling (SOC) in topological quantum materials. The objective of this research is to strive for understanding of interfacial SOC and magnetic exchange coupling in novel heterostructures, which integrate the advantages of topological insulators (TI), and ferro-(FM)/ antiferro(AFM)-magnetic materials. Equally important are interactions of the adjoined layers of hetero-materials, by which new spin-related phenomena may emerge. High quality magnetic TI-based heterostructures with the atomically sharp interface are to be synthesized and characterized in this proposed study, and the independent control of the topology of energy band and the magnetic exchange order may enable us to better control the interactions, providing a pathway for realizing these new effects at high temperatures. In addition, we will also investigate the possibilities of utilizing interfacial spin-orbit torque for low-power non-volatile spintrnoics devices. The results of the proposed research will not only give basic understanding of magnetic topological properties and efficient spin-orbit torque from the Dirac Fermions of TI, but also help creating building blocks for potential applications in “beyond Moore” era.

针对当前拓扑量子材料在自旋电子学应用方面的科学问题，了解自旋轨道耦合的内在机理，并利用其与磁性结合来有效调控电子自旋态，将会为整个自旋电子学领域的研究带来新的突破。本项目计划就拓扑绝缘体与高温铁磁以及反铁磁材料结合形成的磁性拓扑绝缘体异质结的生长制备、多场调控以及器件开发展开相关研究。在该拓扑绝缘体-磁性材料的复合体系中，一方面高温磁序的引入可以提高系统的居里温度，另一方面拓扑表面态产生的自旋极化电流会在界面注入有效的自旋轨道扭矩以实现磁性翻转。同时异质结构的引入能够对自旋轨道耦合和磁交换耦合进行独立的多场调控，进而通过界面磁电效应实现对磁性拓扑绝缘体异质结体系的能带剪裁和相关自旋物理行为的室温操作，并最终制造出利用界面自旋轨道扭矩的自旋电子原型器件。本项目的研究成果将会为实现室温工作的低功耗非易失性自旋电子器件提供了新的思路和范例，有助于推动拓扑量子体系在“超越摩尔定律”时代的发展。

本项目围绕拓扑量子材料体系中自旋轨道耦合效应的内在机理，针对其在自旋电子学应用方面的相关科学问题，重点聚焦就拓扑绝缘体和窄禁带半导体与高温铁磁/反铁磁材料结合形成的三类磁性拓扑异质结的生长制备、多场调控以及器件开发展开了富有成效的研究。首先我们利用范德华二维生长模式实现了3英寸(Bi,Sb)2Te3/MnTe异质结薄膜的外延生长，通过补偿掺杂实现磁近邻效应的增强与电子自旋态在液氮温度以上的调控。同时我们利用分子束外延生长技术完成了内禀反铁磁拓扑绝缘体MnBi2Te4与铁磁相MnTe异质集成的磁性拓扑超晶格体系构筑，实现体系中自旋轨道耦合和磁交换耦合的多场调控，并将插层厚度和超晶格周期数作为调节参数，实现对系统电子自旋态和层间耦合的剪裁。此外，我们利用晶格匹配III/V-II/VI半导体材料异质集成的独特优势，实现了3英寸InSb/CdTe异质结薄膜的外延生长，通过合理引入对称性破缺形成有效内建电场与自旋劈裂，实验发现异质界面的自旋极化率有显著增强，且电场对Rashba效应强度的调控是其他材料体系的10-100倍。在上述工作基础上，我们进一步利用标准微纳器件加工工艺制备了基于MnTe/Bi2Te3的自旋轨道扭矩磁存储器、基于InSb/CdTe的室温手性自旋场效应管、以及基于CoFeB/InSb/CdTe的室温自旋轨道扭矩磁存储器等三种原型器件，成功实现了自旋轨道扭矩驱动的磁性翻转和电流的非互易输运。本项目的顺利开展不仅证实了具有强自旋轨道耦合效应的拓扑磁性异质结体系对电子自旋态的高效调控，也为实现室温工作的低功耗非易失性自旋电子器件提供了新的思路和范例。此外在项目执行过程中，我们也就学术交流与合作、人才培养，与国内外众多研究团队建立了紧密的合作，为加深项目研究深度和树立国际影响力起到了积极的作用。