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简介
二维范德华（2D vdW）材料中自旋轨道扭矩（SOT）技术的最新进展不仅将自旋电子器件推向了原子极限，还揭示了非传统扭矩和新型自旋转换机制。在众多2D vdW 材料中观察到的SOT的巨大多样性需要一种筛选策略来确定扭矩器件性能的最佳材料。为了解决这一关键问题，采用密度泛函理论和非平衡格林函数的结合来计算各种二维vdW双层异质结构中的 SOT，发现了三种高 SOT 体系：WTe2/CrSe2、MoTe2/VS2 和 NbSe2/CrSe2。此外，提出了一种允许快速有效地估计SOT的品质因数的方法，从而能够高通量筛选未来SOT应用的最佳材料和器件。
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背景
自旋轨道扭矩（SOT）是一种新兴的自旋电子技术，能够通过电流有效地操纵磁化，它激发了各种有前景的应用，包括基于 SOT 的磁阻随机存取存储器（MRAM）、微波器件和非易失性逻辑器件。与商业自旋转移扭矩技术相比，SOT 有望实现更高的电荷到自旋效率、更快的写入操作、更低的写入电流和更多的应用通用性，使其成为一项快速发展的技术。传统的 SOT 器件通常由与自旋轨道耦合（SOC）层相邻的铁磁（FM）层组成，如重金属，由于 SOC 效应，电荷电流被转换为自旋极化电流。这种自旋电流产生一个扭矩，操纵和切换FM层中的磁化。在许多基于各种材料的 SOT 器件中观察到了广泛的扭矩效率，包括拓扑绝缘体和过渡金属化合物。
近年来，各种二维范德华（2D vdW）材料的发现，包括 2D 过渡金属二硫化物（TMD）、2D 磁体和Weyl半金属，为SOT器件开辟了新的途径。2D 材料提供了非传统的 SOT 和新的磁化转换机制。某些二维TMD，如 WTe2，由于其较大的 SOC 效应和较低的晶体对称性，已被发现可以产生具有高扭矩效率的非传统平面外反阻尼 SOT。据报道，2D 磁体具有长程磁序、强垂直磁各向异性和显著的霍尔效应。特别是，2D vdW 拓扑铁磁金属 Fe3GeTe2 显示出巨大的 SOT，提供了对磁态和相变的强大控制。2D vdW SOC/FM异质结构，如与低对称性WTe2 相邻的垂直极化Fe2.78GeTe2，已被实验验证为无场确定性磁开关。
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研究内容
先前关于 SOT 器件的理论研究主要集中在扭矩产生机制和磁化转换动力学上。在这项研究中，作者采用密度泛函理论（DFT）结合 QuantumATK 中实现的非平衡格林函数（NEGF）来计算 2D vdW SOC/FM 双层异质结构中的本征 SOT。
作者考虑了一组与自旋电子学相关 2D SOC 和 FM 材料组合。这些材料包括半导体（SC）和（半）金属（M）系统，它们可以组合形成四种不同类型的异质结构，并主要研究 M-SOC/SC-FM（M/SC）、SC-SOC/M-FM（SC/M）和M-SOC/M-FF（M/M）异质结构中的 SOT。SC-SOC/SC-FM 异质结构被排除在外，因为由于费米能级处的态密度为零，在线性响应近似下，它们的 SOT 预计为零。作者还尝试通过分析自旋密度和 SOT 的实空间分布来推断扭矩的来源，SOT 可以起源于各种机制，如自旋霍尔效应（SHE）、Rashba 效应、反常霍尔效应、界面自旋相关滤波和处理等。
作者还提出了一种基于费米能级 LDOS 和 PDOS 的 SOT 品质因数，可以快速有效地估计 SOT 电导率。为了实现更高的 SOT，通常需要更有效的自旋极化 Peff、更强的 SOC/FM 相互作用 H 和更好的电导 G。这些量可以近似为费米能级投影和局部DOS的函数。
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参考
J. Wang, D. E. Nikonov, H. Lin, D. Kang, R. Kim, H. Li, G. Klimeck, First-Principles Simulation and Materials Screening for Spin-Orbit Torque in 2D van der Waals heterostructures. Small 2024, 20, 2308965. https://doi.org/10.1002/smll.202308965
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