客户成果 | 中科院苏州纳米所《Adv. Electron. Mater.》磁性隧道结中基于拓扑斯格明子的自旋转矩二极管效应
近日，以中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、意大利墨西拿大学等机构为核心的国际化科研团队，在拓扑自旋电子器件与斯格明子应用研究中取得重要进展。该研究以“Topological Skyrmion-Based Spin-Torque-Diode Effect in Magnetic Tunnel Junctions”为题发表在《Advanced Electronic Materials》上。致真精密仪器自旋测试多功能克尔显微镜，对斯格明子的静态磁畴结构进行了精准成像，为理解其在磁隧道结中的行为提供了重要实验依据。
▲《Advanced Electronic Materials》期刊论文截图
▲致真精密仪器自旋测试多功能克尔显微镜进行磁畴结构表征分析
随着物联网和边缘计算的飞速发展，对纳米尺度、低功耗的微波探测与硬件需求日益迫切。磁性隧道结作为自旋电子学的核心器件，是构建高性能微波探测器的理想平台。与此同时，一种名为磁性斯格明子的拓扑磁结构，因其具有拓扑保护、尺寸小、驱动电流低等优异特性，成为未来信息存储和计算器件的研究热点。
研究团队制备了亚300纳米的纳米柱MTJ器件，其底部集成了由[Pt/Co/Ta]₉多层膜构成的斯格明子层，旨在室温下稳定斯格明子。通过极向磁光克尔效应显微镜表征，在宽磁场范围内观察到了孤立的斯格明子（图1）。关键的证据来自定量磁力显微镜测量，该测量在经过差分处理后，直接证实了在MTJ的自由层内存在一个单个斯格明子，明确了斯格明子态已从SkyL被imprinting到MTJ的自由层中。
▲图1：通过p-MOKE成像观察到了孤立的斯格明子
团队利用自旋转矩铁磁共振技术来研究斯格明子的微波响应。测量结果表明，在斯格明子态稳定的区域（区域A），成功通过自旋转移矩电激发了一个共振频率接近4 GHz的模式（图2）。作为对比实验，在无SkyL的传统MTJ中未观察到该模式。
▲图2：ST-FMR频谱图，显示区域A中频率近4 GHz的共振峰，及其窄带宽特性
通过全3D微磁模拟，研究确认该激发模式为斯格明子的呼吸模式（图3）。与MTJ中自由层和参考层的均匀模进动相比，斯格明子呼吸模的共振曲线展现出显著更窄的带宽（163 MHz），这带来了更优的选择性，对于设计无需微波滤波器的紧凑型微波探测器至关重要。此外，研究还通过施加特定的磁场路径，成功实现了零场下斯格明子的稳定及其STD效应的演示，这对此类器件的实际应用具有重要意义。
▲图3：微磁模拟结果，将实验观测到的模式与斯格明子呼吸模相关联
本工作不仅展示了首个斯格明子基STD的概念验证，也标志着斯格明子微波技术发展的开端。该结果呼吁将承载更小斯格明子的斯格明子材料与最先进的TMR堆栈集成，以进一步缩小拓扑二极管的尺寸并增强检测灵敏度。此项突破预计将在自旋电子学及混合CMOS-自旋电子技术领域产生积极推动作用。
在研究中，致真精密仪器自旋测试多功能克尔显微镜，应用于对薄膜样品进行磁畴结构成像，成功在室温、200 Oe外场下观测到直径约250 nm的孤立斯格明子，为确认斯格明子态在[Pt/Co/Ta]₉多层膜中的存在及其随磁场的演化提供了关键直观证据。
自旋测试多功能克尔显微镜
自旋测试多功能克尔显微镜可对磁性材料和自旋电子芯片进行高分辨磁畴成像，分辨率可达250nm,配置高度智能化的控制系统和多功能磁场探针台,将光学成像、多维磁场、电学输运表征微波测试、变温模块集成于一体,一键操作便能实现磁场、电流、自旋轨道矩、自旋转移矩等各种激励条件下的磁动力学过程观察。配备微秒级快速反应磁场,能够进行高精度磁畴速度测量和DMI测量。
致真精密仪器
致真精密仪器致力于实现高端科学仪器和集成电路测试设备的自主可控和国产替代。
致真精密仪器通过工程化与产业化攻关，已成功研发出一系列应用于磁学、自旋电子学、纳米形貌表征等领域的前沿科研设备，包括“原子力显微镜、高精度VSM、磁光克尔显微镜等磁学测量设备、各类磁场探针台、低温强磁场光学测量平台、磁性芯片测试机等产线级设备”等，如有需要，我们的产品专家可以提供免费的项目申报辅助、产品调研与报价、采购论证工作，期待与您更深入的交流与合作！
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