磁光克尔显微镜助力北航自旋忆阻器研究,成果被Advanced Science选为封面

进展概述

近日,北航-致真精密仪器联合实验团队助力北京航空航天大学集成电路科学与工程学院在自旋忆阻器的研究中取得新进展,相关论文“Spin‐Torque Memristors Based on Perpendicular Magnetic Tunnel Junctions for Neuromorphic Computing”被《Advanced Science》期刊(IF:15.84)发表,并被选为封面论文。北航-致真精密仪器联合实验团队的张学莹博士与北航博士生蔡文龙、教师王梦醒及潘彪为该论文的共同第一作者,赵巍胜教授为唯一通讯作者。该论文研究工作得到了国家自然科学基金、国际合作项目、核高基国家科技重大专项、青岛市虚拟现实公共研发平台和青岛磁传感芯片公共研发平台的支持。

图1 《Advanced Science》于2021年5月19日刊登的本论文封面。

该工作设计了一种带有独特自由层结构的磁隧道结,即,在自由层中插入了单原子层的W,然后利用退火技术,让W形成聚簇效应,最终在百纳米级的器件中实现了稳定的近乎连续的多态,这也是国际上首次实现百纳米尺寸的可全电学操控的自旋忆阻器。该器件在实现忆阻器性能的同时,保持了该团队前期开发的磁隧道结器件的诸多优势,有望为自旋电子器件在人工智能领域的应用开辟道路。

二、强势助力

值得一提的是,致真精密仪器(青岛)有限公司与北航联合开发的多功能高分辨率磁光克尔显微成像系统在研究中发挥了重要作用。该设备对磁性薄膜中的畴壁形貌、畴壁钉扎作用、DMI和海森堡交换作用强度等参数进行了直观定量表征,成为确定自旋忆阻器多态性质来源的重要依据。

图2 利用高倍磁光克尔显微镜观察到的该自旋忆阻器自由层中磁畴扩张状态与磁滞回线的对应关系。
图3 利用磁光克尔显微镜测量不同薄膜结构中磁畴壁的运动速度以及DMI的提取。

三、产品优势

相比于传统的磁光克尔显微镜,该系统除了拥有分辨率高达300nm的纵向和极向克尔成像,分别用于面内和垂直各向异性样品的磁畴测量,还增加了灵活的磁场探针台以及可以旋转的面内磁场,满足不同的磁场需求。通过高度智能化的控制软件,用户可以将电、磁等定义为多种想要的波形,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,进行磁光克尔成像及微区磁滞回线的提取,表征局部饱和磁化强度MS、局部各项异性能K、海森堡交换作用常数Aex与Dzyaloshinskii-Moriya作用常数D等多种磁性参数,在磁性薄膜材料和自旋电子器件动力学分析领域有着突出的优势。

图4 多功能高分辨率磁光克尔显微成像系统。

这套多功能高分辨率磁光克尔显微成像系统历经5年多的研发,3轮的迭代和试用,在性能稳定的前提下可以满足多种测试需求,经过简单的改装即可适用于多种测试环境,可以为广大相关领域人士和科研机构提供科研与工作上的强力支持。北航团队在该设备的强大功能支撑下,还在DMI测量[1]、自旋轨道距(SOT)效应研究[2]、磁畴壁动力学[3-4]等方面取得了丰富的成果。同时,该设备还可以用于永磁材料和硅钢等软磁材料的磁畴分析等。

目前,这款多功能高分辨率磁光克尔显微成像系统已获得青岛市市长杯创新创业大赛一等奖,同时已经获得了清华大学、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多套订单。

产品基本参数:

  • 极向和纵向克尔成像分辨率可达300 nm;
  • 配置二维磁场探针台,面内磁场最高可达1 T(配置磁场增强模块后可达1.5 T),垂直磁场最高可达0.3 T;
  • 快速磁场选件磁场反应速度可达1 μs;
  • 可根据需要选配直流/高频探针座及探针;
  • 可选配二次谐波、铁磁共振等输运测试;
  • 配置智能控制和图像处理系统,可同时施加面内磁场、垂直磁场和电学信号,同步观测磁畴翻转;
  • 4 K~800 K,80 K~500 K变温选件可选。

样机体验:

目前,致真精密仪器(青岛)有限公司可对相关领域感兴趣的科学工作者提供测样体验,欢迎感兴趣的老师或同学扫描下方二维码体验磁光克尔显微成像全新技术!

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论文链接:

1)https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202004645

2)https://www.researchgate.net/publication/349902202_Spin-Torque_Memristors_Based_on_Perpendicular_Magnetic_Tunnel_Junctions_for_Neuromorphic_Computing

参考文献

[1] Cao, A. et al. Tuning the Dzyaloshinskii–Moriya interaction in Pt/Co/MgO heterostructures through the MgO thickness. Nanoscale 10, 12062–12067 (2018).

[2] Zhao, X. et al. Ultra-efficient spin–orbit torque induced magnetic switching in W/CoFeB/MgO structures. Nanotechnology 30, 335707 (2019).

[3] Zhang, X. et al. Low Spin Polarization in Heavy-Metal–Ferromagnet Structures Detected Through Domain-Wall Motion by Synchronized Magnetic Field and Current. Phys. Rev. Appl. 11, 054041 (2019).

[4] Zhang, Y. et al. Domain-Wall Motion Driven by Laplace Pressure in CoFeB/MgO Nanodots with Perpendicular Anisotropy. Phys. Rev. Appl. 9, 064027 (2018).