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引言

随着自旋电子学的发展，通过电学手段调控材料的磁性状态成为研究热点。自旋轨道力矩（SOT）作为一种利用电流诱导自旋流翻转磁矩的技术，因其高密度、非易失性存储潜力而备受关注。本文研究了氢离子迁移对Pt/[Co/Tb]₂异质结薄膜磁性及SOT的调控作用，探索通过电场驱动氢离子迁移实现磁性及SOT效率的可逆调控，为低能耗、高密度存储技术的发展提供新思路。文章基于山东大学胡季帆教授团队研究成果及国家自然科学基金项目、山西省高等学校科技创新项目、山西省基础研究计划青年项目等资助。

SOT技术的潜力：SOT技术通过自旋轨道耦合效应实现磁矩翻转，具有高速、高密度和非易失性存储的优势，被视为下一代存储技术的有力候选。然而，传统SOT器件需要较大的临界电流密度，导致能耗较高，限制了其实际应用。

电控磁性的优势：电控磁性通过电场调控材料的磁性状态，具有集成度高、能耗低的特点，能够显著提升器件性能并降低能耗。其中，离子迁移作为一种有效的电控磁性手段，因其反应迅速、调控范围广而受到广泛关注。

稀土-过渡金属合金的特性：稀土-过渡金属（RE-TM）合金如Pt/CoTb体系，因其独特的亚铁磁性和高各向异性，在SOT研究中表现突出。然而，如何通过电场调控这类材料的磁性及SOT效率，仍是待解决的问题。

（1）氢离子迁移调控磁性

本文创新性地利用电场驱动氢离子在Pt/[Co/Tb]₂异质结薄膜中的迁移，实现了对薄膜矫顽力和SOT效率的可逆调控。这一方法不仅突破了传统磁场或温度调控的局限，还为低能耗磁性存储器件的开发提供了新途径。

（2）振荡变化的磁性行为

通过制备不同Co层和Tb层厚度的Pt/[Co/Tb]₂异质结薄膜，观察到饱和磁化强度和矫顽力随层厚变化的振荡现象。这种振荡行为与RKKY相互作用相关，为理解层间耦合机制提供了重要线索。

（3）磁畴行为的可视化研究

利用磁光克尔显微镜（MOKE）直接观察了不同矫顽力下磁畴的翻转行为，发现矫顽力较大时磁畴呈整体大面积翻转，而矫顽力较小时则多点小面积形核并同时翻转。

这一发现为理解磁性材料的翻转机制提供了直观证据。

（4）SOT效率的显著提升

通过二次谐波测量，发现氢离子注入显著提高了类阻尼转矩和类场转矩效率，SOT效率大幅提升，临界电流密度显著降低。这一结果为降低SOT器件能耗、提高存储密度提供了可能。

图1 Ti(3nm)/Pt(3nm)/[Co(t₁nm)/Tb(t₂nm)]₂/Ti(5nm)的(a)异质结构和 (b)霍尔棒器件图，在+x方向上施加脉冲电流和辅助磁场，在y方向上测量霍尔电阻（R_H）

Fig.1 (a) Heterostructure and (b) Hall bar device diagram of Ti(3nm)/Pt(3nm)/[Co(t₁nm)/Tb(t₂nm)]₂/Ti(5nm), with a pulsed current and an auxiliary magnetic field applied in the +x direction, and the Hall resistance (R_H) measured in the y direction

图2 Ti(3)/Pt(3)/[Co(0.6)/Tb(t)]₂/Ti(5)样品的VSM测试面外磁滞回线图：(a)t=0.4 nm;(b)t=0.5 nm; (c)t= 0.55nm; (d)t=0.6 nm; (e)t=0.65 nm; (f)t=0.8 nm; (g)t=0.8 5nm; (h)t=1 nm

Fig.2 The out-of-plane magnetic hysteresis loop of the Ti(3)/Pt(3)/[Co(0.6)/Tb(t)]₂/Ti(5)sample measured by VSM: (a)t=0.4 nm;(b)t=0.5 nm; (c)t= 0.55nm; (d)t=0.6 nm; (e)t=0.65 nm; (f)t=0.8 nm; (g)t=0.8 5nm; (h)t=1 nm

图3 Ti(3)/Pt(3)/[Co(0.6)/Tb(t)]₂/Ti(5)样品的VSM测试饱和磁化强度随厚度变化图

Fig.3 The graph of saturation magnetization versus thickness for the Ti(3)/Pt(3)/[Co(0.6)/Tb(t)]₂/Ti(5) sample measured by VSM

图5 Ti(3)/Pt(3)/[Co(0.6)/Tb(t)]2/Ti(5)样品的面外磁滞回线图：(a)MOKE测试;(b)AHE测试

Fig.5 The out-of-plane magnetic hysteresis loops of the Ti(3)/Pt(3)/[Co(0.6)/Tb(t)]2/Ti(5) sample measured with (a) MOKE measurement and (b) AHE measurement

图7 Ti(3)/Pt(3)/[Co(0.6)/Tb(0.55)]₂/Ti(5)样品在矫顽力较大时磁畴翻转的MOKE照片

Fig.7 MOKE images of magnetic domain reversal in Ti(3)/Pt(3)/[Co(0.6)/Tb(0.55)]₂/Ti(5) samples under high coercivity conditions

图9 Ti(3)/Pt(3)/[Co(t₁)/Tb(t₂)]₂/Ti(5)样品的(a)MOKE面外磁滞回线图和(b)AHE测试图

Fig.9 The out-of-plane magnetic hysteresis loops of the Ti(3)/Pt(3)/[Co(t₁)/Tb(t₂)]₂/Ti(5) sample measured by MOKE and AHE:(a) MOKE measurement;(b) AHE measurement

（1）磁性振荡现象：Pt/[Co/Tb]₂异质结薄膜的饱和磁化强度和矫顽力随Co层和Tb层厚度的变化呈现振荡变化，这一现象与RKKY相互作用密切相关。

（2）氢离子迁移调控效果：电场驱动氢离子迁移显著降低了薄膜的矫顽力，同时降低了SOT磁翻转的临界电流密度，实现了对磁性和SOT效率的可逆调控。

（3）磁畴行为差异：矫顽力的大小直接影响磁畴的翻转行为，大矫顽力下磁畴呈整体翻转，小矫顽力下则多点同时翻转。

（4）SOT效率提升：氢离子注入显著提高了类阻尼转矩和类场转矩效率，SOT效率大幅提升，为开发低能耗、高密度磁性存储器件提供了新思路。

文章发表于《功能材料》2025年第56卷第11期，欢迎引用本文：    

李少雄,王志成,郭琦,等.氢离子迁移对Pt/[Co/Tb]₂异质结薄膜磁性与磁翻转的调控[J].功能材料,2025,56(11):11121-11129.

LI S X,WANG Z C,GUO Q,et al.Regulation of magnetic properties and spin-orbit torque switching in Pt/[Co/Tb]₂ heterostructure films through hydrogen ion migration[J].Journal of functional materials,2025,56(10):10001-10008.