新品成果速遞 | 基於NV色心的超分辨量子磁學顯微鏡助力新型磁存儲...

2020-11-27 儀器信息網

導讀

隨著半導體工藝的發展，集成電路的關鍵尺寸已經趨向於幾納米或更小。在2019年的日本SFF（三星晶圓代工論壇）會議上，三星公布了3 nm工藝的具體指標，與現在的7 nm工藝相比，3 nm工藝可將核心面積減少45%，功耗降低50%，性能提升35%。同時，在存儲方面，高密度、低能耗、高速度等特點也是量化生產存儲器所追求的。然而隨著電晶體尺寸的減小, 由量子效應所產生的漏電流及其所導致的熱效應使得傳統的存儲技術遇到了瓶頸。隨著自旋電子學的發展，自旋電子器件具有靜態功耗低、可無限次高速讀寫、非易失性存儲等優點, 被認為是突破當前瓶頸的關鍵技術, 因此受到了廣泛關注。 MRAM（磁隨機存取存儲器）和磁性斯格明子等是目前比較有代表性的新型磁存儲技術。


成果簡介

近期，中國科學院物理研究所磁學國家重點實驗室M02課題組的光耀、劉藝舟博士、於國強特聘研究員、韓秀峰研究員等人與德國馬克斯普朗克智能系統研究所Gisela Schütz教授團隊、美國加州大學洛杉分校Yaroslav Tserkovnyak教授團隊、蘭州大學彭勇教授團隊合作，利用掃描透射X射線顯微鏡(STXM)，對[Pt/Co/IrMn]n交換偏置多層膜結構進行了系統的研究，在室溫零場條件下成功誘導產生100 nm尺寸的斯格明子。斯格明子的產生機制是由X射線誘導的交換偏置再定向效應所主導的，除精確地產生單個斯格明子外，他們還利用X射線產生了多種結構的斯格明子二維「人工晶體」（如圖一所示）[1]。  


圖1. X射線誘導單個斯格明子及斯格明子晶體的產生。a為X射線誘導產生的閉合單疇條(白色虛線矩形框)；b為控制X射線在單疇區域上精準產生的兩個斯格明子；c-d分別為X射線在單疇區域寫入的三角和正方斯格明子人工晶體。d中的標尺條為1 μm。


磁性斯格明子在不同的作用機理下，形成的尺寸大小也有所區別，一般在1 nm~1 μm之間，上面提到的STXM觀測，解析度高，但因其基於同步輻射，不能在普通實驗室中完成。近年來發展的基於NV色心的超分辨量子磁學顯微鏡（如圖2所示）[2]，是一種很好的替代檢測設備。相比於傳統的顯微觀測設備如克爾顯微鏡（解析度~300 nm），磁力顯微鏡MFM(解析度20~50 nm )，該設備除了擁有優於30 nm的磁學解析度外（10~30 nm，理論上可以到納米級），還可以進行樣品表面磁場大小的定量測試，而且NV 色心作為單自旋探針, 所產生的磁場不會對待測樣品有擾動，在磁學顯微成像上有著顯著的優勢。

圖2 基於NV色心的超分辨量子磁學顯微鏡示意圖 含有NV色心的金剛石探針通過AFM系統可以對樣品進行逐點掃描，定量的獲取樣品表面的磁場大小信息。


2016年，Y. Dovzhenko等人[3]通過NV色心磁學顯微鏡對磁性斯格明子表面的磁場進行了測試，重構出表面雜散磁場的分布，對斯格明子的類型具有指導意義（如圖3所示）。在Bloch 型斯格明子的假定下重構出的磁化分布中，中心處z 方向磁化幾乎為零, 也就是磁化方向在面內, 這樣的結構無法形成一個完整的斯格明子。而Néel 型假定給出的磁化分布更加符合理論模型中斯格明子的磁化分布. 因此, Néel 型的斯格明子更加符合實驗結果. 對一些新穎的磁性斯格明子結構, 如納米條帶的邊緣態和雙斯格明子,基於NV 色心的磁成像能夠為解析其磁化結構提供幫助[4]。

圖3 斯格明子局部磁結構獲取 a.測量的雜散磁場z方向分量；b. 在Néel 型和Bloch 型假定下仿真的雜散場z方向分量；(c) (b) 圖中在x = x0 和y = y0 處切面與實驗值的比較; (d),(e) Néel 型和Bloch 型假定下的磁化分布; (f) Bloch 型假定下y = y0 處在不同外磁場下磁化強度切面。


通常SOT（自旋軌道力矩）誘導的磁疇翻轉強烈依賴於磁疇壁的結構，2019年Saül Vélez等人[5]使用NV色心磁學顯微鏡來揭示TmIG和TmIG/Pt層的磁疇壁磁化情況。如圖4所示，作者對TmIG和TmIG/Pt層進行了磁學顯微測試，並對圖b中的兩個不同位置TmIG/Pt和TmIG區域的磁疇邊界d/e進行了磁場掃描，經過同模擬結果對比發現位置d處的磁疇壁處於Left Néel-Bloch中間結構，而到了位置e處的磁疇臂轉變成了Left Néel 結構，這些結果表明磁性石榴石中存在界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用，為穩定中心對稱磁性絕緣體中的手性自旋織構提供了可能。

圖4 用NV磁學顯微鏡測量了TmIG和TmIG/Pt的疇壁結構和手性 a.測試示意圖；b.樣品表面雜散磁場測試結果；c.樣品表面磁化情況重建；d.e為圖4b中虛線位置和磁場分布關係及不同模型的模擬對比。


相關設備

瑞士的Qzabre公司源自於蘇黎世聯邦理工大學自旋物理實驗室Prof. Christian Degen團隊，該團隊於2008年首次提出了使用單個NV色心進行掃描磁探測成像[2]，為後續NV色心磁成像技術奠定了基礎。基於該團隊的技術，Qzabre公司推出了一款用於室溫下的基於NV色心的超分辨量子磁學顯微鏡QSM（如圖5所示），該設備擁有優於30 nm級別的磁學分辨的同時，還可以進行定量的測試材料表面的磁場分布，磁場測試靈敏度可到1 μT/Hz1/2，被廣泛應用於磁性材料顯微成像分析，如磁性納米結構分析、鐵磁/反鐵磁磁疇成像、磁性斯格明子分析、磁疇壁分析、任意波形交流磁場測量、多鐵材料掃描以及石墨烯、碳納米管等電流分布成像。近期，Quantum Design中國與瑞士Qzabre公司達成戰略合作協議，獨家引進Qzabre的NV色心的超分辨量子磁學顯微鏡QSM，希望可以為中國的廣大科研工作者提供有力的幫助，歡迎大家諮詢。

圖5 基於NV色心的超分辨量子磁學顯微鏡QSM外觀圖 

 

參考文獻

[1] Y. Guang. et al. Creating zero-field skyrmions in exchange-biased multilayers through X-ray illumination. Nat. Commun. 11 (2020) 949

[2] C. L. Degen, Scanning magnetic field microscope with a diamond single-spin sensor, Appl. Phys. Lett. 92, 243111 (2008)

[3] Dovzhenko Y, Casola F, Schlotter S, Zhou T X, Büttner F, Walsworth R L, Beach G S D, Yacoby A 2016 arXiv:1611.00673 [cond-mat]

[4] Wang Cheng-Jie, et al. Nanoscale magnetic field sensing and imaging based on nitrogen-vacancy center in diamond. Acta Phys. Sin. Vol. 67, No. 13 (2018) 130701

[5] Saül Vélez, et al. High-speed domain wall racetracks in a magnetic insulator. Nature Communications (2019) 10:4750


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