PHYSICAL REVIEW APPLIED:多功能高分辨率磁光克尔显微成像系统助力中科院微电子研究所发表重要成果

一、进展概述

2021年5月6日,北航-致真精密仪器联合实验团队与中国科学院微电子研究所杨美音老师团队合作,在PHYSICAL REVIEW APPLIED期刊在线发表了题为“All-Linear Multistate Magnetic Switching Induced by Electrical Current” 的学术论文[1]。该论文提出了一种通过改变电流的振幅而非电流的方向来控制磁畴壁运动方向的机制。为了证实这一机制,该论文通过调节离子注入的剂量,在保持Ta/Pt/Co/Ta多层薄膜的DMI常数D不变的前提下改变其交换作用刚度A,观察了这种类型的畴壁运动,验证了没有磁滞效应的线性磁性翻转。该论文进一步在离子暴露和未暴露区域的横向界面处发现了无场偏置和手性可控的多态翻转,这种现象是由于电流引起的Néel壁运动以及在该界面处的强交换耦合作用所导致的。该研究可以为可编程节能型的人工智能应用提供理论支持。

图1 (a)器件原理图,粉色与蓝色分别表示离子暴露与未暴露区域;(b-f)不同情形下的磁滞回线;(g)电流方向翻转时的畴壁结构示意图。
图2 与霍尔通道相比,光刻胶覆盖约3°(a)和-3°(b)的器件原理图,粉色区域为离子注入区域。(c-f)不同情形下的磁滞回线;(g)(a)图所表示的器件在0.5 mA电流脉冲的作用下,同时拥有兴奋性和抑制性突触功能。

二、国产高端仪器 强势助力

值得一提的是,致真精密仪器(青岛)有限公司推出的多功能高分辨率磁光克尔显微成像系统在对薄膜的DMI常数D的测定中发挥了重要作用。

首先,作者在薄膜上施加垂直磁场,通过高分辨率的磁畴成像效果,对磁畴壁的运动速度进行测量,确保畴壁运动处于蠕行阶段(creep mode)。在蠕行阶段,同时对薄膜施加垂直磁场𝐻Z与面内磁场𝐻X,当𝐻X与DMI等效场𝐻D等大反向时,磁畴壁的能量最高,磁畴壁的运动速度会出现最小值。作者通过该原理得到𝐻D的大小,再通过公式即可实现对DMI常数D的提取。

最终,作者发现,随着离子注入剂量的提高,薄膜S1、S2、S3的交换作用刚度A逐渐减小,但DMI常数D的值几乎没有发生改变。该发现为离子注入对薄膜性质的改变提供了实验结果支持,为后续实验的进行奠定了基础。

图3 (a-c)在面内磁场HX与垂直磁场脉冲共同作用下的畴壁运动速度,对应关系为(a)S1、(b)S2、(c)S3。其中插入图分别是畴壁在平面内负场、零场和正场下的运动轨迹;(d)测量所得的A值与D值。

三、产品优势

磁光克尔显微镜拥有高分辨率的动态磁畴观测效果,在磁性薄膜材料和自旋电子器件的动力学分析领域有着突出的优势。它能够直观、高效、无损地测量多种参数,除了本文所测量的DMI强度外,还包括饱和磁化强度、各向异性强度、海森堡交换作用强度等。通用型的磁光克尔显微镜很难对这些磁学参数进行直接测量,为了降低使用门槛,使磁光克尔成像和磁畴动力学分析技术在磁学和自旋电子学中发挥更大作用,北航-致真精密仪器联合团队在多年积累的测试经验以及仪器配置方案的基础上,开发出了一款多功能、智能化的多场高分辨率磁光克尔成像系统。该系统允许用户通过软件将电与磁定义成想要的波形,一键触发后,在样品上同步施加垂直/面内磁场、电流脉冲、微波信号,可同时进行磁光克尔成像和电阻等多种参数的测量。这种多功能的设备将电输运测试与磁光克尔成像相结合,预期将在自旋轨道矩、斯格明子磁泡动力学等方面发挥更大作用。

目前,这款多场高分辨率磁光克尔成像系统已经获得清华大学、中国科学院物理研究所、北京工业大学、上海科技大学等客户的多套订单。

图4 多功能高分辨率磁光克尔显微成像系统

参考文献

[1] M. Yang ,Y. Li, J. Luo, Y. Deng, N. Zhang, X. Zhang, S. Li, et al. All-Linear Multistate Magnetic Switching Induced by Electrical Current, PHYS. REV. APPLIED 15, 054013 (2021).