铂还是钯：自旋电子器件中的合理选择

荷兰爱思唯尔(Elsevier)出版集团开发的全球领先科研文献全文数据库平台 sciencedirect 近日收录并发表了俄罗斯科学院的研究论文：铂还是钯：自旋电子器件中的合理选择。

作者：叶卡捷琳娜・I・库尼岑娜，阿尔乔姆・D・塔兰采夫，伊丽莎白・V・德沃列茨卡娅，马克西姆・V・巴赫梅捷夫，罗曼・B・莫尔古诺夫（通讯作者）。作者所在机构：俄罗斯科学院化学物理与医药化学问题联邦研究中心。

（编者按：俄罗斯已探明铂金储量约5,500吨至16,000吨，占全球总量的7.75%~20%。俄罗斯钯金储量未明确披露，诺里尔斯克矿区是全球最大钯金产地，2025年钯金预计全球产量仅268万盎司，俄罗斯产量占全球40%以上。）

1.摘要

从物流和政治因素来看，钯的世界储量分布使其可用性不高。然而，正如本文所展示的，在自旋电子器件（编者按：包括数据存储、6G通信和雷达器件、生物医学检测、量子计算接口、神经形态计算等）应用中，钯相较于铂具有一定优势。

为了研究用钯替代铂及其对磁化反转的热演化和自旋波动力学的影响，我们制备了两组 Pt/Co/Ir/Co/Pt 和 Pd/Co/Ir/Co/Pd 异质结构，它们分别具有不同的 Pt/Co 和 Pd/Co 界面，且厚度和粗糙度深度相同。

通过调整钴和铱的厚度，可以有选择地调节开关场。铂基结构对其中一个钴层呈现出交换偏置回线，这表明各向异性势垒小于或相当于反铁磁的鲁德曼 - 基特尔 - 卡苏亚 - 约西达（RKKY）交换耦合能。

在钯基结构中，各向异性势垒增强，且占据主导地位，超过了 RKKY 交换耦合能。布里渊光散射分析表明，德贾洛辛斯基 - 莫利亚相互作用（DMI）对高频磁化动力学有显著贡献。

在钯基异质结构中，界面 DMI 比铂基结构更大。因此，基于钯的合成亚铁磁体更适合用于利用 DMI 的自旋电子器件。

2.引言

在自旋电子学领域，包含铁磁层和非磁重金属之间界面的磁性薄膜是研究的热点 [[1]，[2]，[3]，[4]]。在这些界面处引入体铁磁层中不存在的不同类型相互作用，为开发具有可控磁化反转、理想的垂直或面内各向异性以及不对称交换相互作用的自旋电子器件创造了条件 [5,6]。

例如，Co/Pd 和 Co/Pt 界面表现出垂直各向异性 [7]，Co/Ir、Co/Pt、Co/Pd 界面表现出德贾洛辛斯基 - 莫利亚（DMI）耦合 [8]，铁磁层和反铁磁层之间的界面会导致交换偏置 [9,10]，Ta/Ni 界面会在镍层中引入自旋轨道扭矩 [11]，FM/HM/FM 结构在铁磁（FM）层之间具有鲁德曼 - 基特尔 - 卡苏亚 - 约西达（RKKY）耦合 [12]，其交换能可通过重金属（HM）间隔层的厚度进行调节 [13,14]。

设计具有 Co/Pd 和 Co/Ir 界面的多层结构，有可能在单一结构中结合这些不同类型的界面，以实现多功能应用 [15,16]。

对不同系统中 DMI 耦合能的比较表明，与其他异质结构相比，Pt/Co–Pd/Co 异质结构具有显著优势。

最近的一项研究 [17] 表明，在 Ir/CoFeB/MgO 基异质结构中，德贾洛辛斯基 - 莫利亚相互作用（DMI）的值很大，当 CoFeB 层厚度为 1.1 nm 时，达到 1.13 erg/cm²。

相比之下，在 W/CoFeB 系统中，典型的 DMI 能量约为 0.05–0.5 erg/cm²[18,19]，而对于 Ta/NiFe 异质结构，DMI 耦合能不超过 0.01 erg/cm²[20]。

然而，尽管上述数值较高，但 Pd/Co 和 Pt/Co 基系统中的 DMI 值仍然更高，Pd/Co 系统中可达 5.6 erg/cm²。这表明在 Pd/Co 异质结构中，自旋轨道相互作用的影响更为显著，特别是在保持高各向异性和界面质量的情况下。出于这个原因，我们选择研究钴 - 重金属界面。

多层 Co/Pd 异质结构在这类结构中较为特殊，因为钯具有吸收氢的能力，这使得基于 Co-Pd 的自旋电子器件具有可调节的功能 [17,18]。钯层的这一特性通过制造基于自旋电子原理的氢浓度传感器，为自旋电子学与氢工业以及替代能源之间搭建了桥梁 [19,20]。

氢化作用下钯层的表面转变会影响与其表面耦合的下层磁性层的磁化反转过程。这些变化已通过多种方法成功检测到，包括直流磁强计 [17,21,22]、磁电阻和铁磁共振 [18]。

然而，在大多数这些研究中，要么只考虑了单一的磁化检测方法，要么没有对具有相同界面的铂基和钯基合成亚铁磁体中基本的 RKKY 和 DMI 相互作用进行比较。

为了填补这一空白，在本研究中，我们通过直流磁化检测比较了两种类型的 Pt/Co/Ir/Co/Pt 和 Pd/Co/Ir/Co/Pd 结构，它们具有相同的界面序列和厚度，并通过布里渊光散射（BLS）技术分析了自旋波。

对钯基异质结构的研究有一个非常令人印象深刻的结果，即检测到异质结构的磁化强度可通过电调控 [23]。将超薄钯膜沉积在铁磁体上，得到 Pd/Co 异质结构。

在钯层中，通过 “邻近” 效应诱导出铁磁有序磁矩。通过对该异质结构的铁磁表面施加电场，可以观察到钯层中的磁矩发生明显变化，这是使用超导量子干涉仪磁强计直接测量得到的 [23]。

结果表明，如先前报道 [24]，通过邻近效应在非磁性元素中外部诱导的磁矩，以及铁磁异质结构中的本征磁矩，都可以通过电调控。

众所周知，铁磁邻近效应随着与界面距离的增加而减弱。约 2 nm 的厚度是 Co/Pd 界面邻近效应的距离极限。在我们的结构中，当钯的厚度约为 3 nm 时，只有少数界面处的钯原子层可能成为铁磁体，而其余的钯层则处于顺磁状态。由于在靠近 Co/Pd 界面的钯中诱导出铁磁矩，因此每个钯原子的磁矩被认为小于 0.1μB。

在异质结构中，钯相对于铂的一个明显优势是，钯具有显著更强的邻近效应，这为利用电场控制纳米结构的磁化提供了切实可行的机会 [25,26]。

从这个角度来看，在电流诱导的自旋电子现象中，钯是比铂更有利的材料。

当然，在 Co/Pt 和 Co/Pd 系统之间的选择取决于应用类型。Pd/Co 系统适用于垂直合成反铁磁体（SAFs），因为它具有强垂直磁各向异性（PMA）。

然而，在依赖电流诱导效应的自旋电子器件中，如自旋轨道扭矩磁性随机存取存储器（SOT-MRAM），铂起着双重作用：它提供垂直磁各向异性，同时也是自旋电流的来源 [[27]，[28]，[29]，[30]]。

尽管钯在德贾洛辛斯基 - 莫利亚相互作用（DMI）起重要作用的器件中表现出色，但在利用自旋轨道扭矩的应用中，由于其较弱的自旋霍尔效应，钯可能不如铂。因此，钯和铂之间的选择应基于自旋电子器件应具备的功能。

从世界储量分布来看，钯的可获得性不高 [31]。同时，在镍提取过程中积累的钯储量非常可观 [31]。

本研究旨在比较在相同层厚度和相同沉积条件下，铂基和钯基合成亚铁磁体中的垂直磁各向异性和界面 DMI 相互作用。

3.节选片段

1）实验技术和样品

制备并分析了两种类型的样品（表 1）：Ta (3.0 nm)/Pt (3.2 nm)/Co (1.0 nm)/Ir (1.4 nm)/Co (0.8 nm)/Pt (3.2 nm)（样品 1）和 Ta (3.0 nm)/Pd (3.2 nm)/Co (1.0 nm)/Ir (1.4 nm)/Co (0.8 nm)/Pd (3.2 nm)（样品 2），用于一系列超导量子干涉仪（SQUID）实验。

在布里渊光散射（BLS）实验中，使用了以下铂基和钯基样品：Pt (3.2 nm)/Co (1.0 nm)/Ir (1.4 nm)/Co (tCo)/Pt (3.2 nm)……

2）磁滞回线类型（magnetic hysteresis loop）

在所有超导量子干涉仪磁强计实验中，磁场方向垂直于样品平面，因此 DMI 的面内层间分量为零，而界面 DMI 可能会影响实验结果。图 2 左列显示了通过超导量子干涉仪磁强计记录的铂基样品 1 的典型磁滞回线。顶层（0.8 nm）和底层（1.0 nm）钴层的磁化平行和反平行方向导致四种稳定的磁状态 M1、M2、M3 和 M4……

3）异质结构磁翻转的能量平衡（Energy balance of magnetic switching of heterostructures）

在我们实验所用的具有垂直各向异性的合成亚铁磁体中，通常使用宏自旋近似来评估转变序列，并根据实验确定的开关场估算各向异性势垒与 RKKY 耦合能之间的比率。

在这种近似中，假设钴层具有单畴结构，因此一旦两种状态之间的能量差克服了各向异性势垒，整个钴层的磁化就会立即改变

4.结论

在界面质量相同的情况下，无论铱和钴层的厚度如何，钯基异质结构中的 DMI 值比铂基样品中的 DMI 值大约 2 倍。在 2–300 K 的温度范围内，用钯替代铂会导致磁滞回线发生深刻变化，并改变合成亚铁磁体四种稳定磁状态之间的开关序列。

将 M (H) 回线分解为特定层的磁滞回线，揭示了铂基样品中其中一个钴层的反转或偏置磁滞回线，这表明 RKKY 耦合能与各向异性势垒相当或更大。

在钯基样品中，观察到更陡峭的开关和增强的垂直各向异性，这表明各向异性势垒超过了 RKKY 耦合能。

因此，钯基合成亚铁磁体更适合于利用 DMI 的自旋电子器件，而当需要 RKKY 耦合与各向异性之间的平衡时，铂基结构可能是更好的选择。

（编者按：在工业应用中，RKKY耦合与磁各向异性之间的平衡调控已成为自旋电子器件的核心技术方向，主要体现在超高密度磁存储、磁电传感器、低功耗逻辑器件等领域）

CRediT 作者贡献声明

叶卡捷琳娜・I・库尼岑娜：可视化、方法、调查、数据整理。

阿尔乔姆・D・塔兰采夫：可视化、验证、调查、数据整理、概念化。

伊丽莎白・V・德沃列茨卡娅：方法、调查、形式分析、数据整理。

马克西姆・V・巴赫梅捷夫：可视化、软件、方法、调查、形式分析、数据整理。

罗曼・B・莫尔古诺夫：写作 - 审阅和编辑、写作 - 原始草案、监督、调查、形式分析……

利益冲突声明

作者声明以下财务利益 / 个人关系可能被视为潜在的利益冲突：

叶卡捷琳娜・库尼岑娜报告获得了俄罗斯科学基金会的资金支持。

罗曼・莫尔古诺夫、马克西姆・巴赫梅捷夫、阿尔乔姆・塔兰采夫和伊丽莎白・德沃列茨卡娅报告获得了俄罗斯科学院化学物理与药物化学问题联邦研究中心提供的资金支持、行政支持以及设备、药品或用品。……

致谢

罗曼・B・莫尔古诺夫、马克西姆・巴赫梅捷夫、阿尔乔姆・塔兰采夫、伊丽莎白・德沃列茨卡娅得到了俄罗斯联邦科学与高等教育部的支持（政府任务编号 124013100858-3）。

叶卡捷琳娜・库尼岑娜得到了俄罗斯科学基金会（编号 24-72-00049）的资助（https://rscf.ru/project/24-72-00049/）。

作者感谢 A・萨多夫尼科夫在布里渊光散射实验中提供的帮助。

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（信息来源：doi.org/10.1016/j.mseb.2025.118654）