同濟大學物理科學與工程學院丘學鵬教授團隊在亞鐵磁自旋電子領域取得進展。該項研究成果以“Sign-Tunable Magnetic Tunnel Junctions Engineered via Ferrimagnets for Efficient All-Electrical and Thermal Switching”為題發表于《Advanced Functional Materials》期刊。

磁隧道結（MTJ）作為非易失性存儲器、磁傳感器和神經形態計算技術的核心元件，其基本工作原理依賴于自由層與參考層磁化方向的相對排列：平行與反平行狀態分別對應低電阻態和高電阻態。實現這些明確的狀態需要精確控制各磁性層的磁化取向——參考層需在外部磁場下保持穩定，而自由層則需對施加的激勵（如電場或電流）保持高響應靈敏度。MTJ寫入機制歷經多代發展：從早期基于奧斯特磁場的場驅動翻轉，到更高效的自旋轉移矩（STT）翻轉，再到近年來兼具高速與高能效優勢的自旋軌道矩（SOT）驅動技術。隨著自旋軌道電子學的進展（如軌道矩與自旋矩協同效應），新型翻轉機制不斷涌現，極大拓展了MTJ的性能邊界與應用場景。迄今，CoFeB/MgO/CoFeB異質結構憑借高隧穿磁電阻（TMR）、強垂直磁各向異性（PMA）以及與工業制程的良好兼容性，仍占據主導地位。盡管學界廣泛探索替代材料，但鮮有體系能超越CoFeB/MgO基MTJ的綜合性能。然而，傳統鐵磁MTJ的性能與功能受限于鐵磁設計的多重固有限制：其一，TMR符號的固定性制約了器件的功能拓展與操作靈活性；其二，較高的翻轉電流與較慢的磁化反轉動力學阻礙了能效提升；其三，納米級MTJ的熱穩定性調控愈發困難，導致保持力、可寫性與可讀性之間形成難以調和的三重矛盾。這些挑戰在鐵磁體系中因關鍵材料參數的相互制約而進一步加劇——某一參數的優化往往以犧牲其他性能為代價。盡管通過界面工程與材料改性對CoFeB/MgO基MTJ進行了深度優化，但其鐵磁設計的根本局限催生了人們對新型磁性材料與器件架構的探索。在此背景下，亞鐵磁材料憑借其磁特性成為突破MTJ性能瓶頸的潛力候選者。與鐵磁體不同，亞鐵磁體由磁矩反向的多個磁性亞晶格構成，可呈現磁化補償點、超快磁動力學等新奇現象。在巨磁阻（GMR）與TMR器件中，亞鐵磁體因其復雜磁結構常表現出反常的負磁阻行為。然而，早期亞鐵磁MTJ的研發面臨重大挑戰：包括自旋極化率較低、磁特性強溫度依賴性以及與勢壘層的兼容性問題，導致其TMR比值和實用價值受限。盡管如此，亞鐵磁材料為解決傳統MTJ的固有缺陷提供了機遇：其補償溫度為實現器件特性調控提供了額外自由度；超快磁化動力學有望支持太赫茲級翻轉速度；亞晶格間的強交換耦合可增強熱穩定性；通過成分設計與溫度工程可精確調控其凈磁化強度。這些特性使亞鐵磁體成為開發兼具增強功能與性能的新一代自旋電子器件的理想材料平臺。

圖1 器件結構與輸運性質。

研究團隊用磁控濺射在硅片上沉積了具有垂直磁各向異性的Ta/CoFeB/MgO/CoFeB/CoTb/Ta結構，并且表征了其輸運特性。亞鐵磁CoTb合金對上層的CoFeB起到了釘扎的作用，霍爾電阻在亞鐵磁的補償溫度上下具有不同的符號。

圖2 亞鐵磁磁性隧道結的磁阻特性。

通過光刻和Ar離子刻蝕技術將薄膜制作成MTJ器件后，經電輸運測量得到不同溫度下的TMR。器件在常溫具有+33%的TMR,在30K下具有-58%的TMR，TMR的符號在亞鐵磁的補償溫度上下發生變化。

圖3 補償溫度附近spin flop現象引起的子回線。

MTJ器件的TMR在高磁場下會出現額外的子回線，這是CoTb亞鐵磁合金在補償溫度附近磁矩出現非共線排列(spin flop)導致的。子回線出現的磁場隨溫度升高而升高，子回線的寬度隨著溫度升高而下降，這是由亞鐵磁的兩套磁矩的交換耦合強度和垂直磁各向異性隨溫度變化引起的。

圖4 亞鐵磁MTJ的熱驅動翻轉。

MTJ器件在不同的溫度下具有不同符號的TMR,這種特性允許器件實現在磁場下的熱驅動翻轉。在恒定的外加磁場下，改變器件的溫度，CoTb的磁矩會隨著溫度變化而變化，從而實現磁阻的變化。這種新的磁阻切換手段展現一種全新的調控方式，有望拓寬自旋電子器件的操縱方式。

圖5 通過協同矩實現亞鐵磁MTJ中磁化的高效切換。

傳統的STT驅動磁化翻轉具有高能耗和響應慢等不足，SOT有著更好的能耗表現和更快的響應速度，但是一般需要施加外磁場輔助翻轉。將二者結合的電驅動翻轉方式可以集合二者的優點，克服二者的缺點。在實驗中，將二者結合的協同矩可以實現更低能耗的無場翻轉——僅需SOT電流密度JSOT = 5 MA cm?2并輔以4.1%的微量STT電流即可實現MTJ的全電學操控。這種創新的亞鐵磁MTJ架構為開發具有操作靈活性和性能指標的新一代自旋電子器件奠定了全新平臺。

同濟大學物理科學與工程學院朱偉博士為論文一作，同濟大學教授丘學鵬、周仕明，燕山大學教授翟昆為論文通訊作者。

該工作中通過使用 TuoTuo Technology 的無掩模光刻機完成了器件制備工藝。該項研究得到了中國國家重點研發計劃，國家科技創新基金和中國自然科學基金等項目的資助。

論文鏈接：

doi.org/10.1002/adfm.202505415