近日，北京航空航天大學趙巍勝教授團隊在超小尺寸自旋電子器件研究中取得新進展，在亞10nm尺度實現了交換偏置效應的穩定存在與電學調控。
相關成果以“Electrical control of exchange bias in sub-10 nm regime enabled by single-nanotube patterning”為題，于8月7日發表于《Nature Communications》。
圖1 單根碳納米管賦能亞10 nm交換偏置器件技術方案
隨著自旋軌道矩磁隨機存儲器（SOT-MRAM）持續微縮，鐵磁自由層尺寸下降后，其熱穩定性成為影響數據可靠性的關鍵問題。交換偏置效應能夠利用鐵磁/反鐵磁界面耦合，為穩定磁化狀態提供新的技術路徑。
但在亞10nm尺度，傳統光刻技術受到分辨率和工藝兼容性的限制，使交換偏置器件難以進一步縮小，也限制了相關物理機制和器件性能的實驗驗證。
針對這一難題，團隊提出一種無光刻納米圖案化方法，以單根碳納米管作為刻蝕模板，在其表面包覆抗刻蝕金屬釕，形成CNT@Ru納米線掩模，從而利用碳納米管自身的納米級尺寸實現極限尺度器件加工。
圖2 亞10 nm交換偏置器件制備細節和形貌分析
研究團隊基于垂直磁化Pt/Co/IrMn異質結構開展實驗，將器件尺寸縮減至8.66nm，并通過異常霍爾效應測試驗證了自旋軌道矩對磁化狀態的有效電學調控。
研究發現，隨著器件尺寸不斷縮小，鐵磁鈷層的翻轉機制發生變化，由多疇翻轉逐漸轉變為更加突然的單疇翻轉；而交換偏置的翻轉仍保持較為漸進的特征。
這一差異表明，亞10nm尺度下的交換偏置調控并非簡單跟隨鐵磁層翻轉，而可能與反鐵磁層磁矩的集體重排有關，其過程符合交換彈簧動力學特征。
值得注意的是，該研究不僅證明交換偏置能夠在亞10nm尺度保持，還建立了電學驅動其狀態調控的實驗路徑，為進一步提升SOT-MRAM存儲密度提供了新的研究基礎。
從更廣泛的意義看，單根碳納米管模板技術突破了傳統光刻在極限尺寸加工上的限制，不僅適用于交換偏置器件，也有望為其他亞10nm磁性器件和納米器件的原理驗證提供新的加工手段。
論文由北航集成電路科學與工程學院、杭州北航國際創新研究院、法國巴黎薩克雷大學相關團隊及清華大學等合作完成。李和昕、張科為共同第一作者，張科、趙巍勝為共同通訊作者。
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