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磁光克尔效应系统再发Nature:全反铁磁隧道结新突破!

更新时间:2023-07-26点击次数:350

巨磁阻效应自发现以来就被广泛应用于MRAM、磁传感器等自旋电子器件中。目前,基于巨磁阻效应的自旋电子器件主要是铁磁体磁隧道结,其研究和发展受限于铁磁体的使用。因此,为进一步提升自旋电子器件的磁阻比等性能,探究其他磁体开发的高效自旋电子器件的研究非常有必要。


近期,东京大学的Satoru Nakatsuji团队对手性反铁磁体Mn3Sn组成的磁隧道结进行了深入探究。作者首先对Mn3Sn手性反铁磁态中自旋正极化、负极化和磁八极的投影态密度进行了表征,发现八极矩的大多数和少数能带之间存在明显的能量漂移,与铁磁性铁中自旋矩的大多数和少数能带的漂移非常相似,并根据第一性原理进行了模拟验证,结果表明Mn3Sn在基于隧穿磁阻(TMR)的器件(如MRAM)中具有巨大的应用潜力。此外,为了更好的观测其TMR效应,作者制备了基于Mn3Sn的磁性隧道结( MTJ ),测得室温下的隧穿磁阻(TMR)比率约为2%,出现在手性反铁磁状态下簇磁八极的平行和反平行构型之间。该成果以《Octupole-driven magnetoresistance in an antiferromagnetic tunnel junction》为题发表在Nature上。



图1  带簇磁八极的反铁磁隧道结(a)铁磁(FM)隧道结示意图(b)反铁磁(AFM)隧道结示意图(c)(d)铁磁隧道结和反铁磁隧道结的投影态密度图(pDOS)


本文中,作者使用了英国Durham公司磁光克尔效应系统-NanoMOKE3,通过系统自带的磁滞回线测量功能,对反铁磁隧道结顶部和底部Mn3Sn电极的矫顽力进行了测量。


图2 室温基于手性Mn3Sn反铁磁体的磁隧道结表征图 (a)高分辨率TEM表征图(b)磁光克尔测量示意图(c)顶部和底部Mn3Sn反铁磁体的磁滞回线图


英国Durham公司是依托于英国Durham大学的高科技企业。与Durham大学强大的磁光学研究相对应,Durham公司的Russell Cowburn教授(英国剑桥大学卡文迪许实验室主任,英国科学院院士)设计并研发了灵敏度能到10-12 emu兼具Kerr显微镜回线测量功能的高精度磁光克尔效应系统——NanoMOKE3。相比于历代MOKE系统,NanoMOKE3系统将磁光克尔的光路部分集成在光学盒中,避免了实验人员测试前搭建光路的工作,大大减少了实验人员操作量。另外,光学盒中的光路经过特殊设计,可以同时实现极向克尔和纵向克尔的测量,无需调整光路,只需更换镜片即可完成极向克尔纵向克尔的切换。


左)NanoMOKE3磁光克尔效应系统;右)NanoMOKE3光学集成盒


因其高集成度的系统设计和开放式的样品环境,NanoMOKE3具备丰富的拓展性。实验人员可以以NanoMOKE3系统为基础,与其他实验设备组合搭建,进行其他领域方面的测量。


一、低温磁光克尔系统


NanoMOKE3系统允许用户在样品台部分搭建低温恒温器,实现低温磁光克尔的测量。例如,下图所示为NanoMOKE3与美国Montana Instrument无液氦低温恒温器进行了组合使用,从而实现了10K以下的磁光克尔测量。NanoMOKE3的低温磁光克尔测量性能在国内外领域内具有高水平。此低温MOKE方案已在南方科技大学安装使用。


NanoMOKE3 磁光克尔系统与 Montana Instrument无液氦低温恒温器组合使用示意图


二、晶圆扫描探测系统


如今,越来越多的晶圆检测设备采用非接触式的光学测量,取代了传统的接触式晶圆测试方法。其中,以磁光克尔效应原理进行晶圆检测的方法就因其操作简单、检测速度快而被广泛使用。


Durham公司在现有磁光克尔系统基础上改造升级,推出了超高灵敏度的晶圆扫描探测系统(wafer mapper),专门用于测量整个晶圆表面的磁滞回线和磁畴图像。系统中集成的磁光克尔能对整个晶圆样品区域(可按X和Y轴自由移动)进行磁滞回线扫描和区域Mapping的测量,最终绘制得到晶圆样品整体区域的磁性分布图,从而完成晶圆样品的检测。该款晶圆级磁光克尔测绘仪选用NanoMOKE3特创的光学盒,继承了其测量速度快,操作简单的优点。整个测量过程可以通过系统自带的LX PRO3软件完成,无需进行繁琐的实验预设值,大大增加了实验效率。


晶圆扫描探测系统装配图


Durham公司特创的NanoMOKE3磁光克尔光学集成盒是Cowburn教授从事MOKE系统研发和深耕多年的结晶。不但减轻了实验人员的操作繁琐度,更重要的是以磁光克尔效应为基础,为更丰富领域的测量提供了可能,有望助力各个领域科研人员实现更高水平的突破!



参考文献:

[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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