華中科大NanoLetters：用於神經形態計算的二維鐵磁體器件

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4月14日，Nano Letters 線上刊發了華中科技大學游龍教授團隊在無外磁場電流調控室溫二維鐵磁體磁化翻轉的研究進展：“Field-Free Current-Induced Magnetization Switching of a Room-Temperature van der Waals Magnet for Neuromorphic Computing”，並被選為SupplementaryCover。該研究基於Fe₃GaTe₂/MnPt異質結構，實現了室溫下對二維鐵磁體Fe₃GaTe₂的無外磁場電流調控磁化翻轉，並探索了其在神經形態計算方面的應用。

自旋軌道力矩器件是一類透過自旋軌道力矩（SOT）調控鐵磁體磁化狀態的自旋電子器件，它具有非易失、高速、高耐久度、低功耗等優勢。SOT的產生機制包括自旋霍爾效應、Rashba效應等，均嚴格地依賴於介面質量。因此，良好的介面是提高SOT效率的關鍵因素。同時，傳統的SOT調控方式通常需要藉助外部磁場的輔助才能實現磁化狀態的確定性翻轉，這也極大限制了SOT器件的實際應用前景。

為解決上述問題，研究團隊提出了一種基於Fe₃GaTe₂/MnPt異質結構的SOT器件。Fe₃GaTe₂是近期被發現的一種二維鐵磁材料，它具有高於室溫的居里溫度和較強的垂直磁各向異性（圖1）。二維材料本徵地具有優良的介面特性，是搭建高質量SOT器件的理想材料。MnPt被沉積在Fe₃GaTe₂之上，作為SOT的產生層。Fe₃GaTe₂/MnPt異質結構打破了體系的對稱性，可以在沒有外加磁場的情況下，實現對Fe₃GaTe₂磁化狀態的確定性翻轉（圖2）。該翻轉具有良好的魯棒性，並且是可重複的。

圖1室溫二維鐵磁體Fe₃GaTe₂的結構示意圖和效能表徵

圖2 基於Fe₃GaTe₂/MnPt器件的無外磁場電流調控室溫二維鐵磁體磁化翻轉

由於二維材料在三維異質整合方面具有便捷性等獨特的優勢，團隊進一步探索了Fe₃GaTe₂/MnPt器件在神經形態計算方面的應用（圖3）。人工突觸的權重通常以非易失的形式被連續線性地調控，這也被稱為憶阻行為。團隊在器件中施加連續的電流脈衝，透過改變脈衝數來更新器件電導，從而模擬人工突觸的權重更新過程。測得的資料被用於訓練一個卷積神經網路，以識別手寫資料集（h、u、s、t四個字母），識別的準確率最高可以達到92.8%。訓練損失（測試損失）從最初的1.42（0.56）下降到0.23（0.23），證實了基於Fe₃GaTe₂/MnPt器件的卷積神經網路的可靠性。

圖3 基於Fe₃GaTe₂/MnPt器件搭建的卷積神經網路

綜上所述，研究團隊基於Fe₃GaTe₂/MnPt異質結構搭建了SOT器件，實現了室溫下無外場的確定性磁化翻轉。在此之上，透過施加電流脈衝連續調製器件的磁化狀態，器件呈現出憶阻行為。藉助該器件構建的卷積神經網路可以對手寫資料集實現高達92.8%的識別率。該項研究成果為二維自旋電子器件的研究提供了新的思路，並推動了其在儲存器和神經形態計算領域的進步。

華中科技大學為論文第一完成單位，該校積體電路學院博士研究生周晨希為第一作者，湖北大學微電子學院郭喆副教授和華中科技大學積體電路學院游龍教授為共同通訊作者。該研究工作得到了科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金重大儀器專項和麵上專案、深圳市自然科學基金的資助。