胡季帆教授团队在轻金属氧化物中实现了高效的自旋电流的转换

近期，山东大学物理学院胡季帆教授团队在Ni81Fe19/Cu-CuOx/TaN异质结构中通过引入侧边氧化和顶部氧化，利用自旋涡度耦合产生了具有面外自旋极化（σz）和面内自旋极化（σy）分量的自旋流，自旋流转换效率高达0.19。相关研究成果以“Enhanced spin current in Ni81Fe19/Cu-CuOxbilayer with top and sideway oxidization”为题发表在Advanced Materials（IF：32.086）期刊上。山东大学博士研究生安泰宇为文章第一作者，山东大学物理学院崔彬，胡季帆教授为文章共同通讯作者，文章的合作者包括兰州大学教授蒋长军，山东大学物理学院青年教师刘亮、成彬，博士研究生张铭芳、任雪等。山东大学为第一作者单位和唯一通讯作者单位。


(a)Si/SiO2/Ni81Fe19/Cu–CuOx/TaN异质结构，从黄色到橙色颜色梯度表示氧浓度(CO)的变化，Cu-CuOx层包括顶部和侧边氧化；(b)异质结构的角度依赖的磁电阻；(c) Si/Ni81Fe19/Cu–CuOx器件中沿着霍尔通道的氧浓度的分布；(d)倾斜自旋流的传输示意图

自旋电流的产生和控制是自旋电子器件的核心，一直是人们研究的热点。自旋—轨道耦合强的重金属通常用于自旋电流的产生，但与器件的大规模生产工艺不兼容，且重金属中自旋电流的极化方向通常被局限于面内。而轻金属元素由于较弱的自旋轨道耦合，其产生的自旋流通常忽略不计。然而，最近的理论和实验研究表明，一些轻金属，如Cu和Al，经过自然氧化过程，也可以获得一定强度的自旋流。

研究团队通过在Ni81Fe19/ Cu-CuOx异质结构中同时引入侧边和顶部氧化，获得了同时具有面外自旋极化(σz)和面内自旋极化(σy)分量的倾斜自旋流，实现了高达0.19的电荷-自旋电流转换效率，是自然氧化工艺获得Cu-CuOx的3倍，远高于经典重金属Pt（0.07）。实验分析和理论模拟证明了该自旋流是由于梯度氧化导致的电荷流分布不均，进而通过自旋涡度耦合产生的，且自旋流相关的磁电阻可以通过改变氧化条件(如退火温度和退火时间)来控制。该研究结果不但有望推广到更多金属—氧化物系统，大大丰富产生自旋流的材料选择，而且倾斜自旋流的获得有可能在实现垂直易磁化材料零磁场翻转中发挥重要作用。

该工作得到国家自然科学基金项目、国家海外高层次青年人才计划和山东大学齐鲁青年学者配套经费的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.20220798