近日，北航集成电路科学与工程学院赵巍胜教授、聂天晓教授团队在二维自旋电子学领域取得重要进展，相关研究成果以“Polarity-tunable field-free room-temperature spin orbit torque switching via topological symmetry breaking in an all-vdW heterostructure for spin logic applications”为题发表于《自然·通讯》（Nature Communications）期刊。研究团队成功制备了全范德华异质结Bi2Te3/Fe4GeTe2，首次在室温下实现了极性可调、无需外加磁场辅助的自旋轨道矩驱动磁化翻转，并在单器件中实现了16种可重构布尔逻辑功能，为低功耗、高集成的二维自旋电子器件开辟了新路径。
在信息技术飞速发展的背景下，传统半导体器件在功耗与集成密度方面正面临日益严峻的挑战。自旋轨道矩器件因其高能效、高速读写与非易失性等优势，被视为构建下一代存储与逻辑系统的重要候选方案。二维铁磁材料因其原子级平整的表面与丰富的界面调控特性，在推动低功耗、高集成度自旋电子器件发展方面展现出巨大潜力。然而，在晶圆级范德华异质结中，同时实现室温、无外加磁场且极性可调的自旋轨道力矩翻转，仍是一项重大挑战。
为了解决这一难题，研究团队利用分子束外延技术，成功制备出高质量的晶圆级Bi2Te3/Fe4GeTe2全范德华异质结。该异质结充分发挥了二维材料原子级平整界面的优势，实现了优异的自旋输运效率。研究发现，拓扑绝缘体Bi2Te3与二维铁磁材料Fe4GeTe2之间的界面耦合作用，诱导了Fe4GeTe2层中垂直磁各向异性的产生，而Fe4GeTe2自身剩余的面内磁各向异性分量则打破了反演对称性，从而实现了无需外加磁场辅助的确定性磁化翻转。更为重要的是，通过调控面内磁各向异性分量的方向，可在低至约1.55×106 A/cm2的电流密度下，实现对磁化翻转极性的灵活控制。基于该器件的优异电学特性，研究团队进一步展示了在单个器件中实现16种可重构布尔逻辑功能的能力，为构建全电控、可重构的自旋逻辑单元提供了可行方案。
图1 Bi2Te3/Fe4GeTe2异质结的磁输运测量
图2 Bi2Te3/Fe4GeTe2异质结中的无场自旋轨道矩翻转
图3 可重构布尔逻辑功能
北航集成电路科学与工程学院2022级博士生高凡、2023级博士生王梓力、2023级博士生赵润宇、2022级博士生李竞为本文共同第一作者，北航集成电路科学与工程学院聂天晓教授为论文唯一通讯作者，北航集成电路科学与工程学院为第一完成单位。其他合作者还包括意大利国家研究委员会微电子与微系统研究所Roberto Mantovan教授，法国同步辐射光源Nicolas Jaouen教授等。此外，赵巍胜教授对本研究给予了长期指导与引领，为本工作提供了重要支持。该工作获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京自然科学基金等项目的支持。
北航集成电路科学与工程学院聂天晓教授团队瞄准科研前沿方向，长期致力于二维磁性材料及二维自旋电子器件的研究，并取得一系列进展。团队已在《Nature Communications》、《Advanced Materials》、《Advanced Science》、《ACS Nano》等国际知名期刊发表多篇高水平论文。
