客户成果丨同济大学《AFM》：通过亚铁磁体设计的用于高效全电和热开关的可调谐磁隧道结

同济大学物理科学与工程学院丘学鹏教授团队在亚铁磁自旋电子领域取得最新进展。该项研究成果以“Sign-Tunable Magnetic Tunnel Junctions Engineered via Ferrimagnets for Efficient All-Electrical and Thermal Switching”为题发表于《Advanced Functional Materials》期刊。

磁隧道结（MTJ）作为非易失性存储器、磁传感器和神经形态计算技术的核心元件，其基本工作原理依赖于自由层与参考层磁化方向的相对排列：平行与反平行状态分别对应低电阻态和高电阻态。实现这些明确的状态需要精确控制各磁性层的磁化取向——参考层需在外部磁场下保持稳定，而自由层则需对施加的激励（如电场或电流）保持高响应灵敏度。MTJ写入机制历经多代发展：从早期基于奥斯特磁场的场驱动翻转，到更高效的自旋转移矩（STT）翻转，再到近年来兼具高速与高能效优势的自旋轨道矩（SOT）驱动技术。随着自旋轨道电子学的最新进展（如轨道矩与自旋矩协同效应），新型翻转机制不断涌现，极大拓展了MTJ的性能边界与应用场景。迄今，CoFeB/MgO/CoFeB异质结构凭借高隧穿磁电阻（TMR）、强垂直磁各向异性（PMA）以及与工业制程的良好兼容性，仍占据主导地位。尽管学界广泛探索替代材料，但鲜有体系能超越CoFeB/MgO基MTJ的综合性能。然而，传统铁磁MTJ的性能与功能受限于铁磁设计的多重固有限制：其一，TMR符号的固定性制约了器件的功能拓展与操作灵活性；其二，较高的翻转电流与较慢的磁化反转动力学阻碍了能效提升；其三，纳米级MTJ的热稳定性调控愈发困难，导致保持力、可写性与可读性之间形成难以调和的三重矛盾。这些挑战在铁磁体系中因关键材料参数的相互制约而进一步加剧——某一参数的优化往往以牺牲其他性能为代价。尽管通过界面工程与材料改性对CoFeB/MgO基MTJ进行了深度优化，但其铁磁设计的根本局限催生了人们对新型磁性材料与器件架构的探索。在此背景下，亚铁磁材料凭借其独特磁特性成为突破MTJ性能瓶颈的潜力候选者。与铁磁体不同，亚铁磁体由磁矩反向的多个磁性亚晶格构成，可呈现磁化补偿点、超快磁动力学等新奇现象。在巨磁阻（GMR）与TMR器件中，亚铁磁体因其复杂磁结构常表现出反常的负磁阻行为。然而，早期亚铁磁MTJ的研发面临重大挑战：包括自旋极化率较低、磁特性强温度依赖性以及与势垒层的兼容性问题，导致其TMR比值和实用价值受限。尽管如此，亚铁磁材料为解决传统MTJ的固有缺陷提供了独特机遇：其补偿温度为实现器件特性调控提供了额外自由度；超快磁化动力学有望支持太赫兹级翻转速度；亚晶格间的强交换耦合可增强热稳定性；通过成分设计与温度工程可精确调控其净磁化强度。这些特性使亚铁磁体成为开发兼具增强功能与卓越性能的新一代自旋电子器件的理想材料平台。

图1 器件结构与输运性质。

研究团队用磁控溅射在硅片上沉积了具有垂直磁各向异性的Ta/CoFeB/MgO/CoFeB/CoTb/Ta结构，并且表征了其输运特性。亚铁磁CoTb合金对上层的CoFeB起到了钉扎的作用，霍尔电阻在亚铁磁的补偿温度上下具有不同的符号。

图2 亚铁磁磁性隧道结的磁阻特性。

通过光刻和Ar离子刻蚀技术将薄膜制作成MTJ器件后，经电输运测量得到不同温度下的TMR。器件在常温具有+33%的TMR,在30K下具有-58%的TMR，TMR的符号在亚铁磁的补偿温度上下发生变化。

图3 补偿温度附近spin flop现象引起的子回线。

MTJ器件的TMR在高磁场下会出现额外的子回线，这是CoTb亚铁磁合金在补偿温度附近磁矩出现非共线排列(spin flop)导致的。子回线出现的磁场随温度升高而升高，子回线的宽度随着温度升高而下降，这是由亚铁磁的两套磁矩的交换耦合强度和垂直磁各向异性随温度变化引起的。

图4 亚铁磁MTJ的热驱动翻转。

MTJ器件在不同的温度下具有不同符号的TMR,这种特性允许器件实现在磁场下的热驱动翻转。在恒定的外加磁场下，改变器件的温度，CoTb的磁矩会随着温度变化而变化，从而实现磁阻的变化。这种新的磁阻切换手段展现一种全新的调控方式，有望拓宽自旋电子器件的操纵方式。

图5 通过协同矩实现亚铁磁MTJ中磁化的高效切换。

传统的STT驱动磁化翻转具有高能耗和响应慢等不足，SOT有着更好的能耗表现和更快的响应速度，但是一般需要施加外磁场辅助翻转。将二者结合的电驱动翻转方式可以集合二者的优点，克服二者的缺点。在实验中，将二者结合的协同矩可以实现更低能耗的无场翻转——仅需SOT电流密度JSOT = 5 MA cm⁻²并辅以4.1%的微量STT电流即可实现MTJ的全电学操控。这种创新的亚铁磁MTJ架构为开发具有卓越功能性、操作灵活性和性能指标的新一代自旋电子器件奠定了全新平台。

同济大学物理科学与工程学院朱伟博士为论文第一作者，同济大学教授丘学鹏、周仕明，燕山大学教授翟昆为论文通讯作者。

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。该项研究得到了中国国家重点研发计划，国家科技创新基金和中国自然科学基金等项目的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202505415