科學家已開發(fā)出世界上性能最好的純自旋電流源[1]，由鉍 - 銻(BiSb)合金制成，他們認為這是拓撲絕緣子第一次工業(yè)應用的最佳候選[2]。這一成就代表了旋轉(zhuǎn)軌道扭矩磁阻隨機存取存儲器(SOT-MRAM)[3]器件的發(fā)展，它有可能取代現(xiàn)有的存儲器技術。

東京理工大學(東京工業(yè)大學)電氣與電子工程系Pham Nam Hai領導的一個研究小組開發(fā)了用于拓撲絕緣體的BiSb薄膜，同時實現(xiàn)了巨大的自旋霍爾效應[4]和高電氣電導率。

他們的研究發(fā)表在Nature Materials上，可以加速開發(fā)用于物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和其他應用的高密度，超低功耗和超快速非易失性存儲器，這些應用現(xiàn)在對工業(yè)和家庭用途的需求越來越大。 。

BiSb薄膜在室溫下實現(xiàn)大約52的巨大自旋霍爾角，2.5×10 5的電導率和1.3×10 7的自旋霍爾電導率。(有關性能總結(jié)，請參見表1，包括所有單位。)值得注意的是，自旋霍爾電導率比硒化鉍(Bi 2 Se 3)高兩個數(shù)量級，2014年在Nature上報道。

使SOT-MRAM成為可行的選擇

到目前為止，為下一代SOT-MRAM器件尋找合適的自旋霍爾材料一直面臨兩難選擇：首先，鉑，鉭和鎢等重金屬具有高導電性，但旋轉(zhuǎn)霍爾效應較小。其次，迄今為止所研究的拓撲絕緣體具有大的自旋霍爾效應但電導率低。

BiSb薄膜滿足室溫要求。這提高了基于BiSb的SOT-MRAM可以勝過現(xiàn)有自旋轉(zhuǎn)移力矩(STT)MRAM技術的真實可能性。

“由于SOT-MRAM的切換速度比STT-MRAM快一個數(shù)量級，因此開關能量可以降低至少兩個數(shù)量級，”Pham說。“此外，寫入速度可提高20倍，位密度增加10倍。”

盡管使用重金屬，最近在總部位于比利時魯汶的國際研發(fā)和創(chuàng)新中心IMEC進行了實驗，證明了這種節(jié)能型SOT-MRAM的可行性。

如果成功擴大規(guī)模，基于BiSb的SOT-MRAM可以大幅改善其基于重金屬的同類產(chǎn)品，甚至可以與動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)競爭，后者是當今的主流技術。

有吸引力的，被忽視的材料

BiSb由于其小的帶隙[5]和復雜的表面狀態(tài)而傾向于被研究界所忽視。然而，Pham說：“從電氣工程的角度來看，由于其高載流子遷移率，BiSb非常具有吸引力，因此更容易在材料中驅(qū)動電流。”

“我們知道BiSb具有許多拓撲表面狀態(tài)，這意味著我們可以期待更強大的自旋霍爾效應。這就是我們大約兩年前開始研究這種材料的原因。”

使用稱為分子束外延(MBE)的高精度方法生長薄膜。研究人員發(fā)現(xiàn)了一種名為BiSb(012)的特定表面取向，這被認為是大旋轉(zhuǎn)霍爾效應背后的關鍵因素。Pham指出，BiSb(012)表面上Dirac錐體[6] 0的數(shù)量是另一個重要因素，他的團隊正在研究這個因素。

未來的挑戰(zhàn)

Pham目前正與業(yè)界合作測試和擴展基于BiSb的SOT-MRAM。

“第一步是展示可制造性，”他說。“我們的目標是展示它仍然有可能實現(xiàn)強大的自旋霍爾效應，即使BiSb薄膜采用行業(yè)友好型技術(如濺射方法)制造。”

“自拓撲絕緣子出現(xiàn)以來已有十多年了，但目前尚不清楚這些材料是否可以在室溫下用于真實設備。我們的研究將拓撲絕緣體提升到一個新的水平，它們在超低的范圍內(nèi)具有很大的潛力電源SOT-MRAM。“

技術用詞

[1]純自旋電流：傳輸自旋角動量而非電荷的現(xiàn)象。

[2]拓撲絕緣體：具有高導電表面但在內(nèi)部起絕緣體作用的材料。這些材料對于開發(fā)產(chǎn)生較少熱量的高性能電子器件的興趣非常大。

[3] SOT-MRAM：使用自旋霍爾效應的自旋軌道扭矩(SOT)切換越來越多地被視為用于磁阻隨機存取存儲器(MRAM)技術的傳統(tǒng)自旋轉(zhuǎn)移力矩(STT)切換的后繼者。

[4]旋轉(zhuǎn)霍爾效應：源自電荷和自旋耦合的自旋的霍爾效應。通過自旋霍爾效應可以產(chǎn)生純自旋電流。

[5]帶隙：絕緣體或半導體中不存在電子態(tài)的能量范圍。

[6] Dirac錐體：在拓撲絕緣體中出現(xiàn)的獨特電子結(jié)構(gòu)，代表線性能量色散。