客户成果丨新加坡国立大学《ACS Nano》：利用界面轨道杂化增强Rashba效应

新加坡国立大学材料科学与工程系的陈景升教授团队在h-BN/Co3Pt异质结中，通过界面轨道杂化显著增强 Rashba效应，从而提高了自旋轨道矩（SOT）效率，实现了更低功耗的电流驱动的磁化翻转。相关成果以“Enhancing Rashba Spin-Splitting Strength by Orbital Hybridization”为题发表在国际著名期刊《ACS Nano》上。

自旋轨道矩是通过电流控制磁化方向的高效机制，在低功耗、高效率、非易失性磁存储器中展现出广阔的应用前景。然而，传统的重金属/铁磁体（HM/FM）异质结构中，基于自旋霍尔效应的SOT效率较低，而Rashba效应相对较弱，限制了磁性器件性能的进一步提升。增强SOT效率已成为研发下一代自旋电子器件的核心挑战。

图1. 第一性原理计算。(a) 和（b）h-BN/Co3Pt (2ML)薄膜的能带结构。(c) 单层Co3Pt (2ML)薄膜的能带结构。(d) h-BN/Co3Pt (2ML)薄膜的电荷差分布（俯视图和侧视图）。

图2 电流驱动磁化强度翻转特性。(a) 不同磁场下，h-BN/Co3Pt异质结的翻转曲线。(b) 在 Hx=500 Oe下，h-BN/Co3Pt异质结和Co3Pt单层膜的翻转曲线。(c) 翻转比例随外加磁场的变化。(d) 不同电流密度和面内磁场下的翻转相图。

该研究通过第一性原理计算揭示，在h-BN/Co3Pt异质结界面处，由面外p-d轨道杂化产生了显著的Rashba自旋分裂态。同时，研究团队通过磁控溅射技术在Co3Pt层上原位生长h-BN薄膜，不仅提高了界面质量，还避免了传统剥离方法中尺寸受限的问题，成功制备了具有垂直磁各向异性的高性能异质结。

通过二次谐波霍尔电压分析，研究团队发现界面增强的Rashba效应大幅提高了SOT效率。在电流驱动磁化翻转实验中，增强的Rashba效应显著降低了临界翻转电流密度，同时提高了翻转比率。这些特性表明，该研究为设计低功耗、高效率的自旋电子器件提供了新的途径。

该工作通过使用TuoTuo Technology的无掩模光刻机完成了霍尔bar器件的制备。新加坡国立大学的张琪涵，新加坡国立大学苏州研究院的李彭以及新加坡国立大学的周恒安为共同第一作者，新加坡国立大学的陈景升教授为通讯作者。该研究得到了新加坡教育部（MOE）的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acsnano.4c12543