技術文章
TECHNICAL ARTICLES巨磁阻效應自發(fā)現(xiàn)以來就被廣泛應用于MRAM、磁傳感器等自旋電子器件中。目前,基于巨磁阻效應的自旋電子器件主要是鐵磁體磁隧道結,其研究和發(fā)展受限于鐵磁體的使用。因此,為進一步提升自旋電子器件的磁阻比等性能,探究其他磁體開發(fā)的高效自旋電子器件的研究非常有必要。
近期,東京大學的Satoru Nakatsuji團隊對手性反鐵磁體Mn3Sn組成的磁隧道結進行了深入探究。作者首先對Mn3Sn手性反鐵磁態(tài)中自旋正極化、負極化和磁八極的投影態(tài)密度進行了表征,發(fā)現(xiàn)八極矩的大多數(shù)和少數(shù)能帶之間存在明顯的能量漂移,與鐵磁性鐵中自旋矩的大多數(shù)和少數(shù)能帶的漂移非常相似,并根據(jù)第一性原理進行了模擬驗證,結果表明Mn3Sn在基于隧穿磁阻(TMR)的器件(如MRAM)中具有巨大的應用潛力。此外,為了更好的觀測其TMR效應,作者制備了基于Mn3Sn的磁性隧道結( MTJ ),測得室溫下的隧穿磁阻(TMR)比率約為2%,出現(xiàn)在手性反鐵磁狀態(tài)下簇磁八極的平行和反平行構型之間。該成果以《Octupole-driven magnetoresistance in an antiferromagnetic tunnel junction》為題發(fā)表在Nature上。
圖1 帶簇磁八極的反鐵磁隧道結(a)鐵磁(FM)隧道結示意圖(b)反鐵磁(AFM)隧道結示意圖(c)(d)鐵磁隧道結和反鐵磁隧道結的投影態(tài)密度圖(pDOS)
本文中,作者使用了英國Durham公司的磁光克爾效應系統(tǒng)-NanoMOKE3,通過系統(tǒng)自帶的磁滯回線測量功能,對反鐵磁隧道結頂部和底部Mn3Sn電極的矯頑力進行了測量。
圖2 室溫基于手性Mn3Sn反鐵磁體的磁隧道結表征圖 (a)高分辨率TEM表征圖(b)磁光克爾測量示意圖(c)頂部和底部Mn3Sn反鐵磁體的磁滯回線圖
英國Durham公司是依托于英國Durham大學的高科技企業(yè)。與Durham大學強大的磁光學研究相對應,Durham公司的Russell Cowburn教授(英國劍橋大學卡文迪許實驗室主任,英國科學院院士)設計并研發(fā)了靈敏度能到10-12 emu兼具Kerr顯微鏡與回線測量功能的高精度磁光克爾效應系統(tǒng)——NanoMOKE3。相比于歷代MOKE系統(tǒng),NanoMOKE3系統(tǒng)將磁光克爾的光路部分集成在光學盒中,避免了實驗人員測試前搭建光路的工作,大大減少了實驗人員操作量。另外,光學盒中的光路經(jīng)過特殊設計,可以同時實現(xiàn)極向克爾和縱向克爾的測量,無需調整光路,只需更換鏡片即可完成極向克爾和縱向克爾的切換。
左)NanoMOKE3磁光克爾效應系統(tǒng);右)NanoMOKE3光學集成盒
因其高集成度的系統(tǒng)設計和開放式的樣品環(huán)境,NanoMOKE3具備豐富的拓展性。實驗人員可以以NanoMOKE3系統(tǒng)為基礎,與其他實驗設備組合搭建,進行其他領域方面的測量。
一、低溫磁光克爾系統(tǒng)
NanoMOKE3系統(tǒng)允許用戶在樣品臺部分搭建低溫恒溫器,實現(xiàn)低溫磁光克爾的測量。例如,下圖所示為NanoMOKE3與美國Montana Instrument無液氦低溫恒溫器進行了組合使用,從而實現(xiàn)了10K以下的磁光克爾測量。NanoMOKE3的低溫磁光克爾測量性能在國內外領域內具有高水平。此低溫MOKE方案已在南方科技大學安裝使用。
NanoMOKE3 磁光克爾系統(tǒng)與 Montana Instrument無液氦低溫恒溫器組合使用示意圖
二、晶圓掃描探測系統(tǒng)
如今,越來越多的晶圓檢測設備采用非接觸式的光學測量,取代了傳統(tǒng)的接觸式晶圓測試方法。其中,以磁光克爾效應原理進行晶圓檢測的方法就因其操作簡單、檢測速度快而被廣泛使用。
Durham公司在現(xiàn)有磁光克爾系統(tǒng)基礎上改造升級,推出了超高靈敏度的晶圓掃描探測系統(tǒng)(wafer mapper),專門用于測量整個晶圓表面的磁滯回線和磁疇圖像。系統(tǒng)中集成的磁光克爾能對整個晶圓樣品區(qū)域(可按X和Y軸自由移動)進行磁滯回線掃描和區(qū)域Mapping的測量,最終繪制得到晶圓樣品整體區(qū)域的磁性分布圖,從而完成晶圓樣品的檢測。該款晶圓級磁光克爾測繪儀選用NanoMOKE3特創(chuàng)的光學盒,繼承了其測量速度快,操作簡單的優(yōu)點。整個測量過程可以通過系統(tǒng)自帶的LX PRO3軟件完成,無需進行繁瑣的實驗預設值,大大增加了實驗效率。
晶圓掃描探測系統(tǒng)裝配圖
Durham公司特創(chuàng)的NanoMOKE3磁光克爾光學集成盒是Cowburn教授從事MOKE系統(tǒng)研發(fā)和深耕多年的結晶。不但減輕了實驗人員的操作繁瑣度,更重要的是以磁光克爾效應為基礎,為更豐富領域的測量提供了可能,有望助力各個領域科研人員實現(xiàn)更高水平的突破!
參考文獻:
[1]. Chen, X., Higo, T., Tanaka, K.et al. Octupole-driven magnetoresistance in an antiferromagnetic tunnel junction. Nature 613, 490–495 (2023).
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