客户成果丨新加坡国立大学《Nature Materials》：全电式手性反铁磁序的垂直翻转

新加坡国立大学材料科学与工程学院CHEN Jingsheng教授团队在反铁磁自旋电子领域取得最新进展。该项研究成果以“All-electrical perpendicular switching of chiral antiferromagnetic oder”为题发表于《Nature Materials》期刊。

随着现代社会对海量信息的存储与处理能力提出更高要求，传统半导体技术正面临前所未有的挑战。科研界开始积极探索超越传统半导体材料体系的新型电子器件，以期实现更高效、低功耗的信息处理方案。在众多新兴技术路径中，基于自旋电子学效应的新型器件体系逐渐成为研究热点。传统自旋电子器件普遍采用铁磁材料作为信息载体，利用其稳定的磁有序结构实现信息的存储与操控。然而，铁磁材料固有的磁动力学特性限制了其响应速度，使得器件工作频率通常受限于GHz量级，在性能上难以超越现有CMOS器件。近年来，反铁磁材料因其独特的零净磁矩、高频响应特性以及良好的抗磁扰能力，成为自旋电子学研究中的重要候选材料。特别是在高密度信息存储和高速逻辑运算领域，反铁磁材料展现出显著优势。目前，实现反铁磁材料信息写入的主要机制为自旋轨道矩（spin-orbit torque, SOT）效应。该方法通过引入强自旋轨道耦合的非磁性重金属层，在外加电流作用下激发自旋流，从而操控反铁磁的奈尔矢量。然而，在传统的共线反铁磁材料体系中，SOT效应一般只能将奈尔矢量在面内翻转90°。该写入模式一方面不利于器件的高密度集成，另一方面信息读取精度也十分受限。

近年来，研究者发现非共线手性反铁磁材料，如Mn3X（X = Sn, Pt, Pd等），为解决传统反铁磁材料的性能瓶颈提供了可能性。由于该类手性反铁磁材料独特的Kagome晶格结构天然破坏了时间反演对称性（Time Reversal Symmetry），其独特的磁八极矩（moct）方向可以通过反常霍尔效应，隧道磁电阻效应等方法有效读出。因此，手性反铁磁材料被广泛认为是构建垂直反铁磁磁隧道结（MTJ）的可靠材料选择。然而，利用SOT效应在手性反铁磁材料中进行信息写入目前仍有两大瓶颈：1）多晶反铁磁材料中moct 仅能在垂直方向翻转60°，翻转比例较小；2）翻转过程仍需外部磁场打破翻转对称性，影响器件阵列可集成度。

针对以上问题，近日，新加坡国立大学Jingsheng CHEN教授团队提出并实现了一种手性反铁磁材料垂直磁矩的翻转新机制。该机制利用具有低晶体对称性的二维材料 WTe2，同时生成面内SOT（σy）和面外SOT（σz），并以此替代外部磁场打破翻转过程中的面内对称性，实现了在无外磁场条件下，通过纯电流对硅衬底上的多晶Mn3Sn薄膜中磁八极矩（moct）进行180°垂直翻转。

图1 Mn3Sn的Kagome晶格结构和磁矩180°翻转模型。

图2 WTe2/Mn3Sn器件的制备与表征。

研究团队首先从原子级模型和微磁模型出发，验证了在面内SOT和面外SOT的共同作用下，垂直面外的Kagome磁八极子均可实现180°翻转。随后，研究团队首次实验制备了Mn3Sn/WTe2异质结构，并制备成霍尔条器件进行电控磁矩翻转测试。翻转实验表明，在无外磁场的情况下，当电流沿着WTe2晶体的a轴（低对称性轴）通过时，器件表现出清晰的电控翻转曲线，并且翻转比例可达80%；当电流沿着WTe2晶体的b轴（高对称性轴）通过时，器件无电控翻转曲线。以上实验验证了面外SOT在Mn3Sn的定向翻转过程中起到决定性的作用，并且高达80%的翻转比例揭示了磁八极子的垂直翻转角度为180°。

图3. WTe2/Mn3Sn器件中的电控磁矩翻转实验。

图4 外部条件对多晶Mn3Sn翻转行为的影响。

在具有不同WTe2晶体厚度（38 nm-132 nm）的器件中，上述具有高翻转比例的无磁场翻转现均可稳定实现；并且，晶体厚度越大，翻转所需临界电流密度越小。当厚度在132 nm时，电流密度低至1 MA/cm2，仅为传统重金属材料的1/10左右。此外，研究团队还系统验证了面外SOT相对比例、晶体结构分布、耦合作用等条件对翻转比例以及临界电流密度的影响。该工作推动了非共线手性反铁磁材料在下一代高性能自旋电子器件中的应用。并且，研究团队指出该写入方案并不局限于手性反铁磁材料，理论上适用于各类具有垂直磁矩的反铁磁材料体系。

新加坡国立大学材料科学与工程学院郑臻益博士、贾澜辛博士和北京航空航天大学张志仲副教授为论文共同第一作者，北京航空航天大学张悦教授，山西师范大学许小红教授和新加坡国立大学CHEN Jingsheng教授为论文通讯作者。

该工作中通过使用 TuoTuo Technology 的无掩模光刻机完成了器件制备工艺。该项研究得到了新加坡教育部、新加坡科技研究局等项目的资助。

论文信息：

https://www.nature.com/articles/s41563-025-02228-4