Nature Reviews Materials主編點評，南理工曾海波團隊AM取得半導體莫爾超晶格自旋電子學研究進展

??????

近日，《Nature Reviews Materials》主編Giulia Pacchioni博士以“A new twist on spin–orbit torques”為題，對南京理工大學材料學院陳喜、徐鋒和曾海波研究團隊近期發表在《Advanced Materials》上的文章“Moiré Engineering of Spin–Orbit Torque by Twisted WS₂?Homobilayers”進行了點評報道。Giulia Pacchioni主編指出“The use of moiré materials for spintronic?applications…… is only just beginning to?be explored”，認為該AM文章“highlights moiré physics?as a new way to enhance the performance of?spintronic devices”。下面對該AM文章的研究成果進行簡要介紹。

成果簡介

當兩層或兩層以上單晶材料堆疊在一起的時候，由于晶格失配或者晶軸旋轉，會出現新的類似于光學干涉條紋的周期性晶格結構，稱為莫爾超晶格（moiré?superlattices）。近年來，范德華二維材料莫爾超晶格由于材料種類豐富以及其周期和電子結構可通過人工調制等特點而受到廣泛關注和研究。莫爾激子、非常規超導、莫特絕緣態、軌道磁性、非線性霍爾效應、界面鐵電性等諸多母體材料不存在的新奇物性紛紛涌現，使得二維材料莫爾超晶格成為了一種強大的材料性能調控平臺。然而，二維材料莫爾超晶格在自旋輸運調控以及自旋電子學器件應用方面仍缺乏研究。開展這方面研究將有助于進一步拓展二維材料莫爾超晶格的應用范圍。

自旋軌道矩（spin-orbit torque，SOT）具有讀寫路徑分離以及翻轉磁化速度快的特點，被認為是下一代磁性隨機儲存器的首選寫入技術。SOT來源于鐵磁層對自旋霍爾效應或Rashba-Edelstein效應產生的自旋流的吸收。因此，如何調控自旋流的吸收過程是增強SOT的關鍵，這對發展低功耗自旋電子學器件至關重要。

近日，南京理工大學材料科學與工程學院陳喜、徐鋒和曾海波研究團隊在WS₂/WS₂/CoFe/Pt鐵磁異質結中，利用扭角WS₂/WS₂莫爾超晶格實現了SOT的高效調控。研究發現WS₂/WS₂扭角變化可將SOT電導率最大提升44.5%，而且莫爾超晶格的引入還可以有效提高SOT電導率的柵壓調控能力。通過改變CoFe厚度以及對比實驗研究發現，WS₂/CoFe界面處的磁近鄰效應是理解這些實驗結果的關鍵。以界面磁近鄰效應為媒介，WS₂/WS₂莫爾超晶格的莫爾等效磁場對來自Pt層自旋霍爾效應自旋流在CoFe層中的吸收有調制作用，從而導致SOT電導率的增強。該工作為自旋電子學器件性能調控引入了扭角這一新的維度，表明莫爾工程是一種構筑低功耗自旋電子學器件的新策略。

相關研究成果以“Moiré Engineering of Spin–Orbit Torque by Twisted WS₂?Homobilayers”為題發表在《Advanced Materials》上。研究生梁曉蓉為第一作者，陳喜副教授、徐鋒教授和曾海波教授為共同通訊作者。

論文信息：X.?Liang, P.?Lv, Y.?Xiong, X.?Chen,* D.?Fu, Y.?Feng, X. Wang,?X.?Chen, G.?Xu, E.?Kan, F.?Xu,* and H.?Zeng,*?Moiré Engineering of Spin–Orbit Torque by Twisted WS₂?Homobilayers, Adv. Mater.?13, e2313059 (2024).

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202313059

Nature Reviews Materials報道鏈接：https://www.nature.com/articles/s41578-024-00700-2

圖文導讀

?

圖1.（a）化學氣相沉積法生長的單層WS₂，并通過轉移法在Si/SiO₂?(300 nm)基片上制備任意扭角的雙層WS₂/WS₂的光鏡照片。圖中標尺為20 μm。（b）單層WS₂的掃描透射電子顯微鏡環形暗場像照片及其選區快速傅里葉變換（FFT）花樣。測量得到的晶格常數a?= 0.312 nm。圖中標尺為0.5 nm（c）扭轉角度θ?=?5o的雙層WS₂/WS₂的掃描透射電子顯微鏡環形暗場像照片及其選區FFT花樣。與單層WS₂的晶格顯著不同，雙層WS₂/WS₂具有明顯的莫爾超晶格結構，其莫爾周期長度L_m經測量為3.53 nm。同時，雙層的出現了兩套相對角度為5o?的FFT花樣，分別來自上下層的WS₂。圖中標尺為1 nm。（d）軟件模擬得到的WS₂/WS₂莫爾超晶格圖案，模擬條件為a?= 0.312 nm，θ?=?5o。可以看到，模擬得到的超晶格圖案，包括超晶格形狀、原子位置以及周期長度，均與電鏡觀察到的圖案幾乎一致。

圖2. 單層WS₂和扭角WS₂/WS₂拉曼光譜圖：（a）2LA和模；（b）A_1g模。（c）扭角WS₂/WS₂的2LA、、A_1g模的拉曼偏移隨θ的變化關系。與θ?= 0o和60o相比，這三個拉曼模在其他角度出現了藍移。（d）和隨θ的變化關系，前者是A_1g和模的頻率差值，后者是A_1g和2LA模的頻率差值。差值越大，層間耦合越強。

圖3.（a）扭角WS₂/WS₂/CoFe/Pt器件的光鏡照片以及平面霍爾效應諧波測試示意圖。圖中標尺為10 μm。WS₂/WS₂?(θ?= 8.3°)/CoFe (1.5 nm)/Pt (5 nm)器件的諧波測試結果：（b）一次諧波信號隨j的變化關系；（c）二次諧波信號隨j的變化關系。輸入交流電大小為I_rms?= 3.535 mA。（d）隨?以及隨1/B_ext?的變化曲線，實線是對數據點的線性擬合。（e）類阻尼SOT電導率和（f）類場SOT電導率隨θ的變化關系。

圖4.（a）柵壓V_g調控WS₂/WS₂?(θ?= 8.3°)/CoFe (1.5 nm)/Pt (5 nm)器件SOT的測試示意圖。300 nm SiO₂作為介電層，硅襯底作為底電極，CoFe/Pt薄膜作為頂電極。（b）反常霍爾電阻R_AHE和等效磁各向異性場隨V_g的變化關系。（c）和（d）隨V_g的變化關系。

圖5.（a）莫爾超晶格中莫爾等效磁場示意圖。（b）SOT調控機理示意圖。Pt層通過自旋霍爾效應產生自旋流。自旋流擴散到WS₂/CoFe界面，莫爾等效磁場通過磁近鄰效應對自旋流在CoFe層中的吸收產生調制作用，進而增強SOT。