无掩模客户成果丨《Advanced Materials》：亚铁磁CoGd自旋霍尔纳米振荡器

自旋霍尔纳米振荡器（spin Hall nano-oscillator，SHNO）利用重金属层的自旋霍尔效应产生自旋轨道转矩，补偿磁阻尼后维持磁化自振荡，再通过各向异性磁阻输出微波电压，具有结构简单、尺寸小、频率可调和易阵列化等优势。但传统铁磁SHNO通常阈值电流密度高、需外加磁场，且相位噪声导致谱线较宽；几何缩放、优化自旋源或同步阵列等方法难以在室温下同时解决这些问题。稀土-过渡金属亚铁磁体（如CoGd）在磁化补偿点附近净磁化小、有效各向异性弱、自旋轨道转矩效率高，可望同步降低驱动电流和工作磁场，并抑制非线性，实现低电流、低磁场、窄线宽振荡。

成果简介

2026年8月，新加坡国立大学Hyunsoo Yang团队，在《Advanced Materials》发表题为“Energy-efficient spin Hall nano-oscillators using near-compensated CoGd ferrimagnets”的研究论文。雷佳雨、Raghav Sharma和赵士舜为共同一作，Hyunsoo Yang教授为通讯作者。

研究团队在实验上展示了稀土-过渡金属亚铁磁SHNO。通过调控Co_1-xGd_x合金中Gd含量，确定其磁化补偿区间约为 25%~26%，并采用Pt（6 nm）/Co73.1Gd26.9（7 nm）磁控溅射薄膜制备了宽度为 150 nm 的纳米收缩器件。该器件在室温下同时实现低阈值电流密度、小工作磁场和窄线宽，整体性能显著优于Pt/Py铁磁对照器件。

核心数据：在5 mT磁场下，器件的自振荡阈值电流密度低至1.01×10⁷A/cm²；在工作电流密度1.43×10⁷A/cm²时获得0.61 MHz的最小线宽。相较Pt/Py对照器件，阈值电流密度降低16倍、所需磁场降低10倍、最小线宽缩窄约16倍，单个器件品质因数Q达到832。

研究亮点

1. 成分调控锁定近补偿窗口。MOKE与VSM测量显示，CoGd在Gd含量约25%至26%附近发生从Co主导到Gd主导的转变，饱和磁化强度和单轴各向异性能量密度均降至最低，为低功耗振荡提供了关键材料窗口。

2. 低电流、低磁场与窄线宽同步实现。优化后的Pt/Co_73.1Gd_26.9器件在5 mT下启动自振荡，阈值电流密度为1.01×10⁷A/cm²；最小线宽仅0.61 MHz，品质因数达到832，在50至100 mT的更高频段内Q值仍保持在600至800。

3. 高自旋轨道转矩效率降低能耗。近补偿器件的阻尼型转矩效率达到0.102，自旋霍尔电导率达到3.7×10⁵(ħ/2e) (Ω·m)^-1，同时Gilbert阻尼保持在适中水平。低饱和磁化、高转矩效率和有限阻尼共同降低了阈值电流。

4. 近零有效磁化抑制非线性和相位噪声。在补偿点附近，有效磁化和非线性系数平方N2同时接近最小值，使线宽与相位噪声显著降低。时域测试结果表明，近补偿器件的相位噪声较Co富集或Gd富集样品低约一个数量级。

5. 弱有效各向异性打开低场乃至无场路径。Co_73.1Gd_26.9的垂直磁各向异性场约为51.8 mT，与约45.3 mT的退磁场基本相互抵消，使外加磁场能够更有效地设定进动轴，从而为进一步实现无外场片上振荡提供了优化方向。

图文导读

图1 Co_1-xGd_x亚铁磁薄膜的结构与成分依赖磁性。Co与Gd子晶格反平行耦合；Gd含量为25%至26%时，矫顽场H_c显著增强，而饱和磁化强度M_s降至最低，表明体系接近磁化补偿点。

图2 150 nm SHNO的器件形貌与代表性自振荡谱。Pt/Co_73.1Gd_26.9器件在0.17 mA、5 mT下呈现尖锐单峰，线宽为0.61 MHz；Pt/Py对照器件在2.7 mA、50 mT下的最小线宽为9.63 MHz。

图3 非线性系数、线宽与相位噪声随CoGd成分的变化。随着偏离补偿点，有效磁化强度与N2增大，线宽相应展宽；近补偿Co_73.1Gd_26.9器件则同时具有最低的N2、最窄的线宽和最低的相位噪声。

图4 阈值电流密度、Gilbert阻尼与自旋轨道转矩效率随CoGd成分的变化。在Co_73.1Gd_26.9附近，J_th降至最低，自旋霍尔电导率达到最高，而Gilbert阻尼仍保持适中。

图5 近补偿Pt/Co_73.1Gd_26.9与Pt/Py器件的磁化进动、振荡频率角度依赖性及性能对比。近补偿器件对磁场方向不敏感，且在阈值电流密度、工作磁场和最小线宽三项指标上均处于现有铁磁SHNO的领先水平。

总结展望

本工作通过调控CoGd中两套反平行耦合子晶格的相对磁矩，在磁化补偿点附近同时实现了低净磁化强度、弱各向异性、高自旋轨道转矩效率以及低振荡非线性，并由此制备出兼具低阈值电流密度、低工作磁场和窄线宽的亚铁磁SHNO。结果表明，近补偿亚铁磁体可作为提升自旋振荡器综合性能的有效材料设计策略。

未来，通过引入更高效率的自旋源层、进一步优化纳米收缩几何结构并缩小器件尺寸，有望继续降低功耗和线宽，并推动器件向无外场工作发展。同时，近补偿亚铁磁体兼具类似反铁磁体的快速自旋动力学特性以及便于电学调控与检测的优势，有望在片上微波源、无线通信、神经形态计算及其他新型计算硬件中得到应用。

该工作中通过使用TuoTuoTechnology的UV Litho-ACA无掩模光刻设备，完成了SHNO器件的制备工作。

论文信息

Jiayu Lei, Raghav Sharma, Shishun Zhao, Fanrui Hu, Yuchen Pu, Chenhui Zhang, Rahul Mishra, and Hyunsoo Yang. Energy-Efficient Spin Hall Nano-Oscillators Using Near-Compensated CoGd Ferrimagnets. Advanced Materials (2026), e74677.

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.74677

预印本链接：https://arxiv.org/abs/2608.09021

作者信息：雷佳雨、Raghav Sharma和赵士舜为共同一作；新加坡国立大学 Hyunsoo Yang教授为通讯作者。

通讯作者主页：https://www.yang-group.com/