隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，集成電路的關(guān)鍵尺寸已經(jīng)趨向于幾納米或更小。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(biāo)，與現(xiàn)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(shí)，在存儲方面，高密度、低能耗、高速度等特點(diǎn)也是量化生產(chǎn)存儲器所追求的。然而隨著晶體管尺寸的減小, 由量子效應(yīng)所產(chǎn)生的漏電流及其所導(dǎo)致的熱效應(yīng)使得傳統(tǒng)的存儲技術(shù)遇到了瓶頸。隨著自旋電子學(xué)的發(fā)展，自旋電子器件具有靜態(tài)功耗低、可無限次高速讀寫、非易失性存儲等優(yōu)點(diǎn), 被認(rèn)為是突破當(dāng)前瓶頸的關(guān)鍵技術(shù), 因此受到了廣泛關(guān)注。 MRAM（磁隨機(jī)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(shù)。
近期，中國科學(xué)院物理研究所磁學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室M02課題組的光耀、劉藝舟博士、于國強(qiáng)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(tǒng)研究所Gisela Schütz教授團(tuán)隊(duì)、美國加州大學(xué)洛杉分校Yaroslav Tserkovnyak教授團(tuán)隊(duì)、蘭州大學(xué)彭勇教授團(tuán)隊(duì)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(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，在室溫零場條件下成功誘導(dǎo)產(chǎn)生100 nm尺寸的斯格明子。斯格明子的產(chǎn)生機(jī)制是由X射線誘導(dǎo)的交換偏置再定向效應(yīng)所主導(dǎo)的，除地產(chǎn)生單個(gè)斯格明子外，他們還利用X射線產(chǎn)生了多種結(jié)構(gòu)的斯格明子二維“人工晶體”（如圖一所示）[1]。
圖1. X射線誘導(dǎo)單個(gè)斯格明子及斯格明子晶體的產(chǎn)生。a為X射線誘導(dǎo)產(chǎn)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(qū)域上產(chǎn)生的兩個(gè)斯格明子；c-d分別為X射線在單疇區(qū)域?qū)懭氲娜呛驼剿垢衩髯尤斯ぞw。d中的標(biāo)尺條為1 μm。
磁性斯格明子在不同的作用機(jī)理下，形成的尺寸大小也有所區(qū)別，一般在1 nm~1 μm之間，上面提到的STXM觀測，分辨率高，但因其基于同步輻射，不能在普通實(shí)驗(yàn)室中完成。近年來發(fā)展的基于NV色心的超分辨量子磁學(xué)顯微鏡（如圖2所示）[2]，是一種很好的替代檢測設(shè)備。相比于傳統(tǒng)的顯微觀測設(shè)備如克爾顯微鏡（分辨率~300 nm），磁力顯微鏡MFM(分辨率20~50 nm )，該設(shè)備除了擁有優(yōu)于30 nm的磁學(xué)分辨率外（10~30 nm，理論上可以到納米），還可以進(jìn)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(chǎn)生的磁場不會對待測樣品有擾動(dòng)，在磁學(xué)顯微成像上有著顯著的優(yōu)勢。
圖2 基于NV色心的超分辨量子磁學(xué)顯微鏡示意圖 含有NV色心的金剛石探針通過AFM系統(tǒng)可以對樣品進(jìn)行逐點(diǎn)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(xué)顯微鏡對磁性斯格明子表面的磁場進(jìn)行了測試，重構(gòu)出表面雜散磁場的分布，對斯格明子的類型具有指導(dǎo)意義（如圖3所示）。在Bloch 型斯格明子的假定下重構(gòu)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(nèi), 這樣的結(jié)構(gòu)無法形成一個(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果. 對一些新穎的磁性斯格明子結(jié)構(gòu), 如納米條帶的邊緣態(tài)和雙斯格明子,基于NV 色心的磁成像能夠?yàn)榻馕銎浯呕Y(jié)構(gòu)提供幫助[4]。
圖3 斯格明子局部磁結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)度切面。
通常SOT（自旋軌道力矩）誘導(dǎo)的磁疇翻轉(zhuǎn)強(qiáng)烈依賴于磁疇壁的結(jié)構(gòu)，2019年Saül Vélez等人[5]使用NV色心磁學(xué)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(jìn)行了磁學(xué)顯微測試，并對圖b中的兩個(gè)不同位置TmIG/Pt和TmIG區(qū)域的磁疇邊界d/e進(jìn)行了磁場掃描，經(jīng)過同模擬結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)位置d處的磁疇壁處于Left Néel-Bloch中間結(jié)構(gòu)，而到了位置e處的磁疇臂轉(zhuǎn)變成了Left Néel 結(jié)構(gòu)，這些結(jié)果表明磁性石榴石中存在界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用，為穩(wěn)定中心對稱磁性絕緣體中的手性自旋織構(gòu)提供了可能。
圖4 用NV磁學(xué)顯微鏡測量了TmIG和TmIG/Pt的疇壁結(jié)構(gòu)和手性 a.測試示意圖；b.樣品表面雜散磁場測試結(jié)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(guān)系及不同模型的模擬對比。
瑞士的Qzabre公司源自于蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)自旋物理實(shí)驗(yàn)室Prof. Christian Degen團(tuán)隊(duì)，該團(tuán)隊(duì)于2008年次提出了使用單個(gè)NV色心進(jìn)行掃描磁探測成像[2]，為后續(xù)NV色心磁成像技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。基于該團(tuán)隊(duì)的技術(shù)，Qzabre公司推出了一款用于室溫下的基于NV色心的超分辨量子磁學(xué)顯微鏡QSM（如圖5所示），該設(shè)備擁有優(yōu)于30 nm別的磁學(xué)分辨的同時(shí)，還可以進(jìn)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(yīng)用于磁性材料顯微成像分析，如磁性納米結(jié)構(gòu)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(dá)成戰(zhàn)略合作協(xié)議，引進(jìn)Qzabre的NV色心的超分辨量子磁學(xué)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，歡迎大家咨詢。
參考文獻(xiàn)：
[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
產(chǎn)品詳情：
[1] 基于NV色心的超分辨量子磁學(xué)顯微鏡：https://www.caigou.com.cn/product/2020050857.shtml
原文章鏈接：https://www.caigou.com.cn/news/2020051119.shtml
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