客户成果丨大连理工大学《Phys. Rev. B》：溅射(BiSb)2Te3-铁磁异质结中DM相互作用和有效垂直磁化翻转的观察

大连理工大学物理学院王译课题组在磁畴壁动力学领域中取得新进展，该研究成果以“Observation of Dzyaloshinskii-Moriya interaction and efficient perpendicular magnetization switching in sputtered (BiSb)₂Te₃-ferromagnet heterostructures”为题发表在Phys. Rev. B上。

DM相互作用(DMI)在自旋电子学中的自旋轨道转矩驱动磁矩翻转和手性磁畴壁运动方面发挥着重要作用。拓扑绝缘体作为一类新型量子材料，能提供更强的自旋轨道转矩强度，从而实现更低的功耗。然而，拓扑绝缘体/铁磁体异质结中的 DMI仍未得到充分探索。此外，使用分子束外延合成拓扑绝缘体薄膜阻碍了其实际应用。本文采用与工业兼容的磁控溅射技术制备了连续(BiSb)₂Te₃ (BST)薄膜。团队在基于BST的异质结器件中观察到了明显的DMI和左手性磁畴壁。DMI 系数D约为97 μJ/m²，并且DMI 显著影响了手性磁畴壁的动力学过程。团队利用BST中的巨大自旋轨道转矩高效驱动CoFeB垂直磁矩翻转，临界翻转电流密度仅为1.36×10⁵ A/cm²。团队的工作将推动基于拓扑材料的DMI和磁畴壁动力学研究。

图1：采用磁控溅射技术在Si/SiO₂衬底上沉积了厚度为11 nm的BST薄膜。图1a展示了BST薄膜的原子力显微镜AFM图像，其表面粗糙度约为0.6 nm，表明薄膜表面光滑且质量较高。随后，通过磁控溅射在BST薄膜上沉积了Ti (1.5 nm)/Co₂₀Fe₆₀B₂₀ (0.8 nm，简称CoFeB)异质结构，并覆盖MgO (2 nm)和SiO₂ (4 nm)保护层以防止氧化。图1b显示了BST (11 nm)/Ti (1.5 nm)/CoFeB (0.8 nm)/MgO (2 nm)/SiO₂ (4 nm)异质结构的高分辨透射电子显微镜截面图，可清晰观察到溅射BST层为多晶结构。为实现CoFeB层的垂直磁各向异性，在BST与CoFeB层之间插入了非磁性Ti层。将BST (11 nm)/Ti (1.5 nm)/CoFeB (0.8 nm)/MgO (2 nm)异质结构通过光刻和氩离子刻蚀加工成霍尔器件结构(如图1c所示)，用于反常霍尔效应测量。图1d展示了该霍尔器件在室温下的反常霍尔曲线，其中R_xy和H_z分别代表反常霍尔电阻和外部垂直磁场。方形的反常霍尔曲线表明CoFeB层具有良好的垂直磁各向异性，该特性已在磁性随机存储器中得到广泛应用。

图1. 利用磁控溅射制备的BST薄膜及BST/Ti/CoFeB异质结构。 (a) 厚度为11 nm的BST薄膜的原子力显微镜图像，其粗糙度约为0.6 nm。(b) 在Si/SiO₂衬底上生长的BST/Ti/CoFeB异质结构的高分辨率透射电子显微镜图像。(c) 霍尔器件结构及反常霍尔效应测量示意图。(d) 反常霍尔电阻 R_xy 随垂直磁场 H_z 变化的关系曲线。

图2：团队在室温条件下成功演示了自旋轨道转矩高效驱动CoFeB垂直磁矩翻转。如图2a所示，在施加+50 Oe外部磁场H_x时(蓝色曲线)，通入宽度为20 μs的脉冲电流，在+6 mA或–6 mA处观察到具有垂直磁各向异性的CoFeB层发生明显的磁矩翻转。然而，当团队将磁场H_x方向反向(即改为–50 Oe)时，磁矩翻转的方向也随之改变(红色曲线)，这一现象与自旋轨道转矩驱动磁矩翻转的特点完全吻合。

图2. 在室温下BST/Ti/CoFeB异质结器件中自旋轨道转矩高效驱动垂直磁矩翻转。 (a) 在沿电流通道方向施加+50 Oe (蓝色)和–50 Oe (红色)外部磁场的情况下，电流驱动垂直磁矩翻转曲线。(b-e) 通过沿x轴(b-c)或–x轴(d-e)注入脉冲电流在BST/Ti/CoFeB器件中实现电流驱动磁矩翻转的磁光克尔显微镜图像。左图中的亮色区域(暗色区域)代表磁矩方向沿+z轴 (–z轴)。(b-c) CoFeB的磁矩方向通过脉冲电流从–z (暗色区域，红色框标示)翻转至+z (亮色区域)。(d-e) CoFeB的磁矩方向通过反向脉冲电流从+z (亮色区域)翻转至–z (暗色区域)。各图像下方标示了BST层中的电流密度。

图3：通过在BST/Ti/CoFeB器件中观测电流驱动畴壁运动及畴壁倾斜现象，团队证实了DMI的存在。团队首先通过施加水平磁场H_x (–60 Oe)和沿–x轴方向的脉冲电流I (5 mA)，建立了如图3a所示的↑←↓畴壁构型及顺时针倾斜的畴壁。当H_x降为零并继续施加相同方向(–x轴)的脉冲电流时，畴壁向+x轴方向移动。然而，当H_x反向(调整为+60 Oe)时，相同的脉冲电流使畴壁反向朝-x轴运动。这种依赖于H_x方向的畴壁双向运动现象表明样品中存在DMI，与先前研究报道一致。

图3. DMI存在时，在不同磁畴壁构型下，畴壁运动与倾斜的磁光克尔显微镜图像。(a) 对于↑←↓磁畴壁构型，沿–x轴方向的脉冲电流驱动磁畴壁运动与倾斜；(b) 对于↓→↑磁畴壁构型，沿+x轴方向的脉冲电流驱动磁畴壁运动与倾斜；(c) 对于↓→↑磁畴壁构型，沿–x轴方向的脉冲电流驱动磁畴壁运动与倾斜；(d) 对于↑←↓磁畴壁构型，沿+x轴方向的脉冲电流驱动磁畴壁运动与倾斜。

该工作中通过使用TuoTuoTechnology的磁光克尔显微镜(TTT-02-Kerr Microscope)做了磁畴壁动力学的研究。

作者介绍：大连理工大学物理学院博士生冯莹为文章的一作，王译教授、席力教授和赵纪军教授为论文的共同通讯作者。

论文链接：DOI: 10.1103/f5lw-hbd9