近日，以中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所、意大利墨西拿大學(xué)等機(jī)構(gòu)為核心的國(guó)際化科研團(tuán)隊(duì)，在拓?fù)渥孕娮悠骷c斯格明子應(yīng)用研究中取得重要進(jìn)展。該研究以“Topological Skyrmion-Based Spin-Torque-Diode Effect in Magnetic Tunnel Junctions”為題發(fā)表在《Advanced Electronic Materials》上。致真精密儀器自旋測(cè)試多功能克爾顯微鏡，對(duì)斯格明子的靜態(tài)磁疇結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精準(zhǔn)成像，為理解其在磁隧道結(jié)中的行為提供了重要實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

致真精密儀器自旋測(cè)試多功能克爾顯微鏡進(jìn)行磁疇結(jié)構(gòu)表征分析

隨著物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計(jì)算的飛速發(fā)展，對(duì)納米尺度、低功耗的微波探測(cè)與硬件需求日益迫切。磁性隧道結(jié)作為自旋電子學(xué)的核心器件，是構(gòu)建高性能微波探測(cè)器的理想平臺(tái)。與此同時(shí)，一種名為磁性斯格明子的拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)，因其具有拓?fù)浔Ｗo(hù)、尺寸小、驅(qū)動(dòng)電流低等優(yōu)異特性，成為未來(lái)信息存儲(chǔ)和計(jì)算器件的研究熱點(diǎn)。

研究團(tuán)隊(duì)制備了亞300納米的納米柱MTJ器件，其底部集成了由[Pt/Co/Ta]?多層膜構(gòu)成的斯格明子層，旨在室溫下穩(wěn)定斯格明子。通過(guò)極向磁光克爾效應(yīng)顯微鏡表征，在寬磁場(chǎng)范圍內(nèi)觀察到了孤立的斯格明子（圖1）。關(guān)鍵的證據(jù)來(lái)自定量磁力顯微鏡測(cè)量，該測(cè)量在經(jīng)過(guò)差分處理后，直接證實(shí)了在MTJ的自由層內(nèi)存在一個(gè)單個(gè)斯格明子，明確了斯格明子態(tài)已從SkyL被imprinting到MTJ的自由層中。

圖1：通過(guò)p-MOKE成像觀察到了孤立的斯格明子

團(tuán)隊(duì)利用自旋轉(zhuǎn)矩鐵磁共振技術(shù)來(lái)研究斯格明子的微波響應(yīng)。測(cè)量結(jié)果表明，在斯格明子態(tài)穩(wěn)定的區(qū)域（區(qū)域A），成功通過(guò)自旋轉(zhuǎn)移矩電激發(fā)了一個(gè)共振頻率接近4 GHz的模式（圖2）。作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在無(wú)SkyL的傳統(tǒng)MTJ中未觀察到該模式。

圖2：ST-FMR頻譜圖，顯示區(qū)域A中頻率近4 GHz的共振峰，及其窄帶寬特性

通過(guò)全3D微磁模擬，研究確認(rèn)該激發(fā)模式為斯格明子的呼吸模式（圖3）。與MTJ中自由層和參考層的均勻模進(jìn)動(dòng)相比，斯格明子呼吸模的共振曲線(xiàn)展現(xiàn)出顯著更窄的帶寬（163 MHz），這帶來(lái)了更優(yōu)的選擇性，對(duì)于設(shè)計(jì)無(wú)需微波濾波器的緊湊型微波探測(cè)器至關(guān)重要。此外，研究還通過(guò)施加特定的磁場(chǎng)路徑，成功實(shí)現(xiàn)了零場(chǎng)下斯格明子的穩(wěn)定及其STD效應(yīng)的演示，這對(duì)此類(lèi)器件的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

圖3：微磁模擬結(jié)果，將實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的模式與斯格明子呼吸模相關(guān)聯(lián)

本工作不僅展示了首個(gè)斯格明子基STD的概念驗(yàn)證，也標(biāo)志著斯格明子微波技術(shù)發(fā)展的開(kāi)端。該結(jié)果呼吁將承載更小斯格明子的斯格明子材料與最先進(jìn)的TMR堆棧集成，以進(jìn)一步縮小拓?fù)?a target="_blank">二極管的尺寸并增強(qiáng)檢測(cè)靈敏度。此項(xiàng)突破預(yù)計(jì)將在自旋電子學(xué)及混合CMOS-自旋電子技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生積極推動(dòng)作用。

在研究中，致真精密儀器自旋測(cè)試多功能克爾顯微鏡，應(yīng)用于對(duì)薄膜樣品進(jìn)行磁疇結(jié)構(gòu)成像，成功在室溫、200 Oe外場(chǎng)下觀測(cè)到直徑約250 nm的孤立斯格明子，為確認(rèn)斯格明子態(tài)在[Pt/Co/Ta]?多層膜中的存在及其隨磁場(chǎng)的演化提供了關(guān)鍵直觀證據(jù)。

自旋測(cè)試多功能克爾顯微鏡

自旋測(cè)試多功能克爾顯微鏡可對(duì)磁性材料和自旋電子芯片進(jìn)行高分辨磁疇成像，分辨率可達(dá)250nm,配置高度智能化的控制系統(tǒng)和多功能磁場(chǎng)探針臺(tái),將光學(xué)成像、多維磁場(chǎng)、電學(xué)輸運(yùn)表征微波測(cè)試、變溫模塊集成于一體,一鍵操作便能實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)、電流、自旋軌道矩、自旋轉(zhuǎn)移矩等各種激勵(lì)條件下的磁動(dòng)力學(xué)過(guò)程觀察。配備微秒級(jí)快速反應(yīng)磁場(chǎng),能夠進(jìn)行高精度磁疇速度測(cè)量和DMI測(cè)量。

致真精密儀器

致真精密儀器致力于實(shí)現(xiàn)高端科學(xué)儀器和集成電路測(cè)試設(shè)備的自主可控和國(guó)產(chǎn)替代。

致真精密儀器通過(guò)工程化與產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)，已成功研發(fā)出一系列應(yīng)用于磁學(xué)、自旋電子學(xué)、納米形貌表征等領(lǐng)域的前沿科研設(shè)備，包括“原子力顯微鏡、高精度VSM、磁光克爾顯微鏡等磁學(xué)測(cè)量設(shè)備、各類(lèi)磁場(chǎng)探針臺(tái)、低溫強(qiáng)磁場(chǎng)光學(xué)測(cè)量平臺(tái)、磁性芯片測(cè)試機(jī)等產(chǎn)線(xiàn)級(jí)設(shè)備”等，如有需要，我們的產(chǎn)品專(zhuān)家可以提供免費(fèi)的項(xiàng)目申報(bào)輔助、產(chǎn)品調(diào)研與報(bào)價(jià)、采購(gòu)論證工作，期待與您更深入的交流與合作！

原文標(biāo)題：客戶(hù)成果 | 中科院蘇州納米所《Adv. Electron. Mater.》磁性隧道結(jié)中基于拓?fù)渌垢衩髯拥淖孕D(zhuǎn)矩二極管效應(yīng)

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