面内磁存储纵向克尔效应测量系统

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公司的磁光克尔效应系统-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显微镜与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和纵向克尔的切换。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极高的水平。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).

磁随机存储器（Magnetic Random Access Memory, MRAM）利用磁隧道结自由层磁矩取向不同引起的磁阻不同作为存储单位0和1，同时结合传统的磁存储（PMR）非易失性及静/动态随机存储器（SRAM/DRAM）读写速度快的双重优点，在科研及工业界广受欢迎，并被认为是替代传统随机存储器的下一代存储技术的潮流和趋势。随着自旋转移矩效应（Spin Transfer Torque， STT）的发现及迅速应用，长期制约MRAM由科研阶段向工业量产阶段转变的技术难点“写入困难”被成功解决，同时为了进一步提高磁随机存储器的存储密度，近年来垂直取向的磁随机存储单元-隧道结（MTJs）取代了水平取向的磁随机存储单元，与STT技术一道成为了新的磁随机存储技术-垂直型STT-MRAM。图1 MRAM晶圆及MTJs存储单元 MRAM器件化和产业化的关键是对晶圆的磁性薄膜及磁性存储单元的生长和性能实现控制，特别是存储单元中的核心部件磁隧道结（MTJs），磁隧道结一般由磁性各异的多层膜构成，而隧道结终的性能又由多层膜中各层薄膜的性能所综合决定，然而MTJs的多层膜中每一层的厚度一般在几纳米至几十纳米之间，每一层的磁矩信号都非常弱(图3 PKMRAM_300典型测试结果图 日前，国内套PKMRAM_300正式落户杭州，将在新型磁随机存储器技术的研发及实现量产化的进程中发挥作用。祝愿此次PKMRAM_300 磁随机存储器磁检测系统的落户，能够帮助科学研究人员在磁随机存储技术领域内取得更多突破，在范围内占据技术点。相关产品链接：磁电阻随机存储器向克尔效应测量系统 http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C202460.htm面内磁存储纵向克尔效应测量系统 http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C202463.htm充磁系统 http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C203306.htmDiskMapper H7 http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C202452.htm

NanoMOKE3是新一代超高灵敏度磁强计和克尔显微镜，灵敏度高达10-12emu，是研究磁性薄膜以及磁性微结构理想的测量工具，在自旋/磁电子学、磁性纳米技术、磁性随机存储器、GMR/TMR、记录磁头、磁传感器等研究领域有着广泛的应用。磁光克尔测试属于光学测试，对样品的振动有着一定的要求。传统的低温磁光克尔测试通常使用低振动的液氦恒温器来进行，这种恒温器往往不能兼容纵向和向磁光克尔测试，且使用者需要多次采购和传输使用液氦，实验过程比较繁琐，也给实验室增加了大量液氦成本。2018年6月，Quantum Design在美国加利福尼亚大学圣迭戈分校Ivan Schuller教授实验室成功安装了一套集成NanoMOKE3与5nm别超低振动的Montana无液氦低温恒温器的磁光克尔测试系统，实现了4.5K~325K下的纵向0.47T/向0.35T的磁光克尔测试，为低温下的磁光克尔测试带来了新的方向。 图1 ：磁光克尔测试系统NanoMOKE3+Montana无液氦低温恒温器设备集成外观Schuller教授团队的研究方向之一是制备和研究新型微纳米结构，如量子点、磁性异质结构、二维铁磁线和一维铁磁链等。“新的低温磁光克尔测试系统可灵活安装配置样品，允许我们进行原位磁光和磁输运测试”，Nicolas Vargas研究员说：“我们小组目前正在研究混合异质结构（V-Oxide/FM）在结构相变（SPT）-温度依赖性期间的磁性和反射率行为，这套系统的安装，将对我们的实验提供非常大的帮助。”设备安装成功后，工程师先对垂直磁各项异性薄膜Ta(4 nm)/Pt(10 nm)/CoFeB(0.6 nm)/Pt(2 nm)进行了4.5K下的向克尔测试（如图2所示），结果显示该样品在单次循环无平均下的噪声仅为5%。随后又对该薄膜进行了4.5K下的克尔成像测试（如图3所示），左上角显示为饱和磁化时的成像，顺时针方向为磁场逐渐减小至反向饱和时的成像，可以明显的观察到磁畴的变化。 图2：CoFeB薄膜4.5K下向克尔测试左：60秒平均测试结果 右：单次循环1秒（总测试时间）无平均测试结果 图3：CoFeB 薄膜4.5K下的磁畴成像观测除了向克尔测试，工程师还对坡莫合金微带线（25-um 宽, 24-nm 厚）进行了5.5K下的纵向磁光克尔测试（如图4所示），结果显示该样品单次循环即可得到强的克尔测试信号，噪声仅为3%。 图4：坡莫合金微带线5.5K下的纵向磁光克尔测试左：微带线结构 中：60秒测试平均结果 右：单次循环1秒无平均结果 这套系统除了集成为低温磁光克尔测试系统外，也可以分成室温磁光克尔和低温恒温器等两套系统单使用。已经购买了Montana C2恒温器或者NanoMOKE3磁光克尔系统的用户，也可以在此基础上升为无液氦低温磁光克尔测试系统！