二维过渡金属硫化物/铁磁双层膜中自旋轨道矩的电场调控研究

Spin electronics materials and devices has important application prospects in the magnetic storage, magnetic logic and magnetic microwave devices and other fields. Because of the strong spin-orbit interactions andbroken inversion symmetry, two dimensional transitional metal dichalcogenides (TMDs) has potential spin-orbitronics applications, which will contribute to improve the control efficiency of magnetic moment. In this project, we plan to fabricate TMDs (WS2, WSe2)/ferromagnetic bilayers and investigate the spin orbit torques characteristics using spin-torque ferromagnetic resonance technique, especially to reveal the influence of TMDs materials, microwave current and magnetic field on the spin orbit torques. Furthermore, we plan to utilize the semiconductor properties of TMDs (WS2, WSe2) to investigate the electric-field control behavior on spin orbit torques. Finally, we plan to illuminate the inherent relation of spin-orbit torques in TMDs with ferromagnetic and reveal the mechanism of electric-field on spin orbit torques. This project will help to deepen the understanding of spin transport mechanism in TMDs and make useful exploration and development of new spin electronic materials and devices.

自旋电子学材料及器件在磁性存储、磁逻辑以及磁性微波器件等领域有着重要的应用前景。二维过渡金属硫化物（TMDs）由于具有较强的自旋轨道耦合和反演对称性破缺特性，有望应用于自旋电子学器件中，提高磁矩操控效率。本项目拟制备二维TMDs（WS2和WSe2）/铁磁双层膜结构，利用铁磁共振技术研究TMDs/铁磁双层膜中的自旋轨道矩特性，特别是TMD材料、微波电流和磁场对自旋轨道矩的影响。结合二维TMDs（WS2和WSe2）半导体特性，研究电场对TMDs/铁磁双层膜体系中自旋轨道矩的调控行为。阐明二维TMDs产生的自旋轨道矩与铁磁薄膜磁性之间的内在联系及电场对自旋轨道矩的影响机制。本项目研究有助于理解二维TMDs/磁性材料异质结中的自旋输运机制，为发展新型自旋电子材料和器件做出有益的探索及开拓。

利用自旋轨道力矩效应可以实现磁矩的快速、高效翻转, 为开发高性能的自旋电子器件提供了一种极佳的磁矩操控方式。其中二维过渡金属硫化物（TMDs）由于具有较强的自旋轨道耦合和反演对称性破缺特性，为研究自旋轨道矩（SOT）提供了独特的平台。项目针对TMDs/铁磁异质结构内在的输运机制和调控规律开展一系列研究。. 项目研究了高质量WS2材料可控生长，实现层数和尺寸可控。研究了单层WS2/镍铁结构微波电流、磁场、电场等对SOT的影响和调控作用，观察到了由于界面 Rashba-Edelstein效应产生的类阻尼 SOT 和类场 SOT，证明了栅压可以调控 TMD 材料所产生的 SOT。通过对不同层数WS2/镍铁异质结构研究，阐明了二维WS2产生的SOT与铁磁薄膜磁性之间的内在联系，通过定量分析区分了自旋轨道矩中类阻尼矩和类场矩的实际贡献。 WS2/镍铁体系中SOT的主要贡献来自于面外取向的类场矩，而面内取向的类阻尼项的贡献接近于零。随着WS2厚度的增加，类场矩降低。. 随着二维材料体系SOT的研究兴起和新材料体系的出现，项目研究拓展至其它二维材料体系包括黑磷、MoTe2、WTe2和磁性二维材料Fe3GeTe2等材料体系的SOT的研究。对BP/镍铁异质结构发现存在一个与磁矩方向无关的面外反阻尼力矩，利用黑磷二维晶体对称性差异可以有效调控SOT。利用MoTe2作为插层构建Pt/MoTe2/Ni异质结构，通过MoTe2诱导的轨道杂化和增加界面处自旋散射，异质结构自旋轨道力矩效率提高至0.197。研究基于WTe2/Fe3GeTe2全二维材料异质结构实现SOT驱动磁矩翻转的可能性，发现在全二维异质结构中热效应对磁矩的翻转有重要影响。