磁感測器廣泛應用於航天、汽車、導航、生物醫學及工業自動化等領域。近年來，各種新型的磁場感測器逐漸被開發出來，如超導量子干涉器件、磁通門感測器和石墨烯霍爾感測器等。另外，基於金剛石中的光學氮空位、半導體材料中的霍爾效應以及磁性材料中的磁電阻效應等方法也得到了發展。其中，基於各向異性磁電阻、巨磁電阻和隧道磁電阻的磁感測器具有頻寬寬、穩定性高、體積小、成本低等優點，同時擁有良好的靈敏度、解析度和線性度，受到了廣泛的關注和研究。目前，磁場的探測不再侷限於一維或二維，三維磁場的探測更具實際意義。測量三維磁場的傳統方法是使用三個磁感測器分別感測沿三個座標軸（x、y和z）的磁場分量的大小，或者採用磁通導向器(magnetic flux guide)將磁場引導至平面感測器的探測方向。然而，這兩種方案由於其本身的限制，都存在測得的三個磁場分量非正交或者不在同一空間位置上的問題。因此，設計一個基於單器件可探測三維磁場的磁感測器具有重大的科學意義與應用前景。
近日，華中科技大學游龍教授課題組利用自旋軌道力矩-憶阻器件實現了三維磁場的探測，在一定大小的寫電流密度下，面外磁場分量（Hz分量）和麵內磁場分量（Hx和Hy）都可以實現對器件電阻的連續線性調控，且具有記憶功能，無需初始化，反常霍爾電阻和磁場分量大小一一對應。該研究中x，y，z方向的靈敏度分別為205，282和1845 V/A/T，線性度分別為3.2%，2.7%和4.3%。透過抵消三個磁場分量中的任意兩個對反常霍爾電阻的貢獻，來探測剩餘一個磁場分量的大小，從而可以得到向量磁場的大小和方向。由於面內與面外磁場擁有不同的物理機制，因此，基於物理機制分離出三個分量的單獨貢獻不存在不正交或者不在同一空間位置上的問題。該研究成果以“A spin–orbit torque device for sensing three-dimensional magnetic fields”為題在國際著名學術期刊Nature Electronics上發表。
圖1：基於非易失磁疇壁移動的單憶阻器件探測三維磁場的原理示意圖
如圖1所示，研究人員採用具有垂直磁各向異性的Ta/CoFeB/MgO異質結構，在施加寫電流（有明顯的自旋霍爾效應，電流密度在1 MA/cm2以上）的情況下，利用面內與面外磁場對磁疇的不同調控機制，可以將向量磁場的三個正交方向的分量探測出來。在沒有外磁場的情況下，在x方向通電流（如Jx = 6.8 MA/cm2）時，CoFeB磁性層會在奧斯特場、鐵磁交換作用、退磁場以及焦耳熱等的作用下形成一個沿x方向的磁疇壁（Domain Wall，DW），位於Hallbar中央，對應的反常霍爾電阻RH為0。
如果在x方向通入寫電流的同時施加一個z方向的小磁場，該磁場將會推動DW移動，使其不再釘紮在中央位置。由於器件的易磁化方向沿z方向，在焦耳熱的輔助作用下，+z方向的磁場有助於使磁疇向+z方向偏轉，使得CoFeB磁性層中+z方向的磁疇比例增大，即DW發生了移動，RH隨之增大，且DW的移動距離由磁場大小決定（移動到邊界，即飽和之前）。同樣地，-z方向的磁場會導致相反的DW移動，RH減小。需要注意的是，當寫電流極性改變後，仍然是+z方向的磁場導致正的RH變化，因此正負電流下的RH-Hz曲線是重合的（圖2a）。
圖2：在±6.8MA/cm2的電流密度下各個方向的R-H曲線。a-c為在x方向通電流情況下，d-e為在y方向通電流情況下。
如果在x方向通寫電流的同時施加一個x方向的小磁場，由於自旋霍爾效應或Rashba效應產生的自旋積累會對CoFeB磁性層的磁化強度產生一個力矩的作用，即自旋-軌道力矩，該力矩會在z方向上產生一個有效場：
其中，ℏ是約化普朗克常數，e是電子電荷量，Ms是飽和磁化強度，t是CoFeB磁性層的厚度，θSH是Ta的自旋霍爾角，Jx是電流密度，以及mx是磁疇壁中的磁化方向沿x方向的分量。由於材料選定以後，ℏ、e、Ms、t和θSH都不再變化，若Jx也固定不變，
便只由mx決定。對於Neel型DW，當DW沿x方向時，DW裡的磁化方向在yoz平面過渡，因此mx為0。而施加x方向磁場後，DW裡的磁化方向會向x方向發生偏置，且偏置角度與磁場的強度有關，即mx會受到x方向磁場的影響，磁場越大，mx越大直至飽和，
以及RH也隨之變大直至飽和。另外，當電流極性改變後，
的符號也跟著發生變化，因此正負電流下的RH-Hx曲線是關於x軸對稱的（圖2b）。
如果在x方向通入寫電流的同時施加一個y方向的小磁場，
，因此沒有z方向的有效場，DW會保持在器件中央，對應地，
（圖2c）。
需要注意的是，在x或z方向磁場下，施加x方向電流改變了DW位置後，撤去電流和磁場，DW不會回到原來位置上，即具有非易失性，或者說該器件對磁場具有記憶功能。同樣地，在器件y方向通電流時，y方向和z方向磁場可以調控RH，而x方向磁場（小於各向異性場）不會對RH造成變化。
對於一個向量磁場，根據RH在三個方向的磁場以及正負電流下的不同響應特性（圖2中的曲線的對稱特性），經過簡單的操作方式，可以將三個方向磁場分量對於反常霍爾電阻的單獨貢獻分離出來。具體來說，將正負電流下的R-H曲線相減，可以去除掉Hz分量的貢獻，而Hy沒有貢獻，從而得到Hx的單獨貢獻（圖3a）；透過將正負電流下的R-H曲線相加，可以去除掉Hx的貢獻而得到Hz的單獨貢獻（圖3c）。同樣地，若電流方向沿y方向，如圖1b所示，經過以上相應的操作，可以分別得到Hy（圖3b）和Hz對RH的單獨貢獻。至此，三個分量對RH的單獨作用均已獲得，我們可以根據電阻得到三個磁場分量的大小，從而可以得到向量磁場的大小和方向，由於這種分離方案是基於物理機制的，因此不會存在不正交的問題。
圖3：經過加/減操作後得到的三個方向的磁場對RH的調控作用。
最後，研究人員採用E5052B訊號源分析儀(Signal Source Analyzer, Keysight)測量了磁感測器的噪聲。測試過程中，由Keythley 6221為器件施加電流，所有測試在沒有外磁場的室溫下進行。圖4給出了Hall bar寬度分別為40微米和50微米的器件在直流電流下測得的噪聲譜密度圖。從圖中可以看出，在低頻階段1/f噪聲占主導地位，在高頻階段，曲線趨於飽和，此時約翰遜噪聲佔主導。當電流密度為6.8MA/cm2（50微米寬度器件）和6.2MA/cm2（40微米寬度器件）時，器件在1 Hz處的噪聲值分別為1450和150nV/√Hz。除了外加電流和磁場引起的疇壁移動外，焦耳熱對Hooge因子的作用是影響1/f噪聲的主要因素。當器件寬度減小時，寫入電流、器件電阻以及由此產生的焦耳熱隨之減少。因此，透過減小器件的寬度或長度，可以降低寫入電流密度下的噪聲，有助於推動該感測器的高密度整合。為進一步降低噪聲，還可以利用高自旋霍爾角金屬代替Ta作為自旋電流源來降低寫電流，如W和CuBi合金等。
圖4：噪聲譜密度。
此工作是基於以前自旋軌道力矩憶阻器件工作的延伸，此課題組於2019年首次在垂直磁各向異性Ta/CoFeB/MgO異質結器件中實驗發現了憶阻效應並可用於神經形態計算(Adv.Electron. Mater., 5, 1800782 (2019), Appl. Phys. Lett. 114, 042401 (2019))，於2021年在實驗上利用自旋軌道力矩憶阻效應實現了可用於類比電路中的積分器等功能器件(Appl. Phys. Lett. 118, 052402 (2021))，並利用自旋軌道力矩真隨機數發生器構建低功耗小面積人工神經網路(Appl.Phys. Lett. 118, 052401 (2021))。
華中科技大學光學與電子資訊學院游龍教授為本文通訊作者，博士生李若凡與張帥為本文共同第一作者，合作者包括華中科技大學光學與電子資訊學院楊曉非教授、Jeongmin Hong研究員、歐陽君副教授、博士後郭喆、博士生羅時江，蘭州大學席力教授、碩士生許炎，湖北大學講師宋敏等。另外，本文也受到了華中科技大學光學與電子資訊學院吳國安教授與佔臘民副教授提供的儀器支援。本工作得到了國家自然科學基金青年、面上和創新群體專案、國家重點研發計劃、武漢市科技局科研專案以及中央高校基本科研基金（華中科技大學）等專案的共同資助。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41928-021-00542-8