Nature Reviews Materials主编点评，南理工曾海波团队AM取得半导体莫尔超晶格自旋电子学研究进展

近日，《Nature Reviews Materials》主编Giulia Pacchioni博士以“A new twist on spin–orbit torques”为题，对南京理工大学材料学院陈喜、徐锋和曾海波研究团队近期发表在《Advanced Materials》上的文章“Moiré Engineering of Spin–Orbit Torque by Twisted WS₂Homobilayers”进行了点评报道。Giulia Pacchioni主编指出“The use of moiré materials for spintronic applications…… is only just beginning to be explored”，认为该AM文章“highlights moiré physics as a new way to enhance the performance of spintronic devices”。下面对该AM文章的研究成果进行简要介绍。

成果简介

当两层或两层以上单晶材料堆叠在一起的时候，由于晶格失配或者晶轴旋转，会出现新的类似于光学干涉条纹的周期性晶格结构，称为莫尔超晶格（moiré superlattices）。近年来，范德华二维材料莫尔超晶格由于材料种类丰富以及其周期和电子结构可通过人工调制等特点而受到广泛关注和研究。莫尔激子、非常规超导、莫特绝缘态、轨道磁性、非线性霍尔效应、界面铁电性等诸多母体材料不存在的新奇物性纷纷涌现，使得二维材料莫尔超晶格成为了一种强大的材料性能调控平台。然而，二维材料莫尔超晶格在自旋输运调控以及自旋电子学器件应用方面仍缺乏研究。开展这方面研究将有助于进一步拓展二维材料莫尔超晶格的应用范围。

自旋轨道矩（spin-orbit torque，SOT）具有读写路径分离以及翻转磁化速度快的特点，被认为是下一代磁性随机储存器的首选写入技术。SOT来源于铁磁层对自旋霍尔效应或Rashba-Edelstein效应产生的自旋流的吸收。因此，如何调控自旋流的吸收过程是增强SOT的关键，这对发展低功耗自旋电子学器件至关重要。

近日，南京理工大学材料科学与工程学院陈喜、徐锋和曾海波研究团队在WS₂/WS₂/CoFe/Pt铁磁异质结中，利用扭角WS₂/WS₂莫尔超晶格实现了SOT的高效调控。研究发现WS₂/WS₂扭角变化可将SOT电导率最大提升44.5%，而且莫尔超晶格的引入还可以有效提高SOT电导率的栅压调控能力。通过改变CoFe厚度以及对比实验研究发现，WS₂/CoFe界面处的磁近邻效应是理解这些实验结果的关键。以界面磁近邻效应为媒介，WS₂/WS₂莫尔超晶格的莫尔等效磁场对来自Pt层自旋霍尔效应自旋流在CoFe层中的吸收有调制作用，从而导致SOT电导率的增强。该工作为自旋电子学器件性能调控引入了扭角这一新的维度，表明莫尔工程是一种构筑低功耗自旋电子学器件的新策略。

相关研究成果以“Moiré Engineering of Spin–Orbit Torque by Twisted WS₂Homobilayers”为题发表在《Advanced Materials》上。研究生梁晓蓉为第一作者，陈喜副教授、徐锋教授和曾海波教授为共同通讯作者。

论文信息：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 WS₂Homobilayers, Adv. Mater. 13, e2313059 (2024).

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202313059

Nature Reviews Materials报道链接：https://www.nature.com/articles/s41578-024-00700-2

图文导读

图1.（a）化学气相沉积法生长的单层WS₂，并通过转移法在Si/SiO₂(300 nm)基片上制备任意扭角的双层WS₂/WS₂的光镜照片。图中标尺为20 μm。（b）单层WS₂的扫描透射电子显微镜环形暗场像照片及其选区快速傅里叶变换（FFT）花样。测量得到的晶格常数a= 0.312 nm。图中标尺为0.5 nm（c）扭转角度θ= 5º的双层WS₂/WS₂的扫描透射电子显微镜环形暗场像照片及其选区FFT花样。与单层WS₂的晶格显著不同，双层WS₂/WS₂具有明显的莫尔超晶格结构，其莫尔周期长度L_m经测量为3.53 nm。同时，双层的出现了两套相对角度为5º 的FFT花样，分别来自上下层的WS₂。图中标尺为1 nm。（d）软件模拟得到的WS₂/WS₂莫尔超晶格图案，模拟条件为a= 0.312 nm，θ= 5º。可以看到，模拟得到的超晶格图案，包括超晶格形状、原子位置以及周期长度，均与电镜观察到的图案几乎一致。

图2. 单层WS₂和扭角WS₂/WS₂拉曼光谱图：（a）2LA和模；（b）A_1g模。（c）扭角WS₂/WS₂的2LA、、A_1g模的拉曼偏移随θ的变化关系。与θ= 0º和60º相比，这三个拉曼模在其他角度出现了蓝移。（d）和随θ的变化关系，前者是A_1g和模的频率差值，后者是A_1g和2LA模的频率差值。差值越大，层间耦合越强。

图3.（a）扭角WS₂/WS₂/CoFe/Pt器件的光镜照片以及平面霍尔效应谐波测试示意图。图中标尺为10 μm。WS₂/WS₂(θ= 8.3°)/CoFe (1.5 nm)/Pt (5 nm)器件的谐波测试结果：（b）一次谐波信号随j的变化关系；（c）二次谐波信号随j的变化关系。输入交流电大小为I_rms= 3.535 mA。（d）随 以及随1/B_ext的变化曲线，实线是对数据点的线性拟合。（e）类阻尼SOT电导率和（f）类场SOT电导率随θ的变化关系。

图4.（a）栅压V_g调控WS₂/WS₂(θ= 8.3°)/CoFe (1.5 nm)/Pt (5 nm)器件SOT的测试示意图。300 nm SiO₂作为介电层，硅衬底作为底电极，CoFe/Pt薄膜作为顶电极。（b）反常霍尔电阻R_AHE和等效磁各向异性场随V_g的变化关系。（c）和（d）随V_g的变化关系。

图5.（a）莫尔超晶格中莫尔等效磁场示意图。（b）SOT调控机理示意图。Pt层通过自旋霍尔效应产生自旋流。自旋流扩散到WS₂/CoFe界面，莫尔等效磁场通过磁近邻效应对自旋流在CoFe层中的吸收产生调制作用，进而增强SOT。