巨磁阻效應(yīng)自發(fā)現(xiàn)以來就被廣泛應(yīng)用于MRAM、磁傳感器等自旋電子器件中。目前，基于巨磁阻效應(yīng)的自旋電子器件主要是鐵磁體磁隧道結(jié)，其研究和發(fā)展受限于鐵磁體的使用。因此，為進(jìn)一步提升自旋電子器件的磁阻比等性能，探究其他磁體開發(fā)的高效自旋電子器件的研究非常有必要。

近期，東京大學(xué)的Satoru Nakatsuji團(tuán)隊(duì)對(duì)手性反鐵磁體Mn₃Sn組成的磁隧道結(jié)進(jìn)行了深入探究。作者首先對(duì)Mn₃Sn手性反鐵磁態(tài)中自旋正極化、負(fù)極化和磁八極的投影態(tài)密度進(jìn)行了表征，發(fā)現(xiàn)八極矩的大多數(shù)和少數(shù)能帶之間存在明顯的能量漂移，與鐵磁性鐵中自旋矩的大多數(shù)和少數(shù)能帶的漂移非常相似，并根據(jù)第一性原理進(jìn)行了模擬驗(yàn)證，結(jié)果表明Mn₃Sn在基于隧穿磁阻(TMR)的器件(如MRAM)中具有巨大的應(yīng)用潛力。此外，為了更好的觀測(cè)其TMR效應(yīng)，作者制備了基于Mn₃Sn的磁性隧道結(jié)( MTJ )，測(cè)得室溫下的隧穿磁阻(TMR)比率約為2%，出現(xiàn)在手性反鐵磁狀態(tài)下簇磁八極的平行和反平行構(gòu)型之間。該成果以《Octupole-driven magnetoresistance in an antiferromagnetic tunnel junction》為題發(fā)表在Nature上。

圖1  帶簇磁八極的反鐵磁隧道結(jié)（a）鐵磁（FM）隧道結(jié)示意圖（b）反鐵磁（AFM）隧道結(jié)示意圖（c）（d）鐵磁隧道結(jié)和反鐵磁隧道結(jié)的投影態(tài)密度圖（pDOS）

本文中，作者使用了英國Durham公司的磁光克爾效應(yīng)系統(tǒng)-NanoMOKE3，通過系統(tǒng)自帶的磁滯回線測(cè)量功能，對(duì)反鐵磁隧道結(jié)頂部和底部Mn₃Sn電極的矯頑力進(jìn)行了測(cè)量。

圖2 室溫基于手性Mn₃Sn反鐵磁體的磁隧道結(jié)表征圖 （a）高分辨率TEM表征圖（b）磁光克爾測(cè)量示意圖（c）頂部和底部Mn₃Sn反鐵磁體的磁滯回線圖

英國Durham公司是依托于英國Durham大學(xué)的高科技企業(yè)。與Durham大學(xué)強(qiáng)大的磁光學(xué)研究相對(duì)應(yīng)，Durham公司的Russell Cowburn教授（英國劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室主任，英國科學(xué)院院士）設(shè)計(jì)并研發(fā)了靈敏度能到10-12 emu兼具Kerr顯微鏡與回線測(cè)量功能的高精度磁光克爾效應(yīng)系統(tǒng)——NanoMOKE3。相比于歷代MOKE系統(tǒng)，NanoMOKE3系統(tǒng)將磁光克爾的光路部分集成在光學(xué)盒中，避免了實(shí)驗(yàn)人員測(cè)試前搭建光路的工作，大大減少了實(shí)驗(yàn)人員操作量。另外，光學(xué)盒中的光路經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)極向克爾和縱向克爾的測(cè)量，無需調(diào)整光路，只需更換鏡片即可完成極向克爾和縱向克爾的切換。

左）NanoMOKE3磁光克爾效應(yīng)系統(tǒng)；右）NanoMOKE3光學(xué)集成盒

因其高集成度的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開放式的樣品環(huán)境，NanoMOKE3具備豐富的拓展性。實(shí)驗(yàn)人員可以以NanoMOKE3系統(tǒng)為基礎(chǔ)，與其他實(shí)驗(yàn)設(shè)備組合搭建，進(jìn)行其他領(lǐng)域方面的測(cè)量。

一、低溫磁光克爾系統(tǒng)

NanoMOKE3系統(tǒng)允許用戶在樣品臺(tái)部分搭建低溫恒溫器，實(shí)現(xiàn)低溫磁光克爾的測(cè)量。例如，下圖所示為NanoMOKE3與美國Montana Instrument無液氦低溫恒溫器進(jìn)行了組合使用，從而實(shí)現(xiàn)了10K以下的磁光克爾測(cè)量。NanoMOKE3的低溫磁光克爾測(cè)量性能在國內(nèi)外領(lǐng)域內(nèi)具有高水平。此低溫MOKE方案已在南方科技大學(xué)安裝使用。

NanoMOKE3 磁光克爾系統(tǒng)與 Montana Instrument無液氦低溫恒溫器組合使用示意圖

二、晶圓掃描探測(cè)系統(tǒng)

如今，越來越多的晶圓檢測(cè)設(shè)備采用非接觸式的光學(xué)測(cè)量，取代了傳統(tǒng)的接觸式晶圓測(cè)試方法。其中，以磁光克爾效應(yīng)原理進(jìn)行晶圓檢測(cè)的方法就因其操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)速度快而被廣泛使用。

Durham公司在現(xiàn)有磁光克爾系統(tǒng)基礎(chǔ)上改造升級(jí)，推出了超高靈敏度的晶圓掃描探測(cè)系統(tǒng)（wafer mapper），專門用于測(cè)量整個(gè)晶圓表面的磁滯回線和磁疇圖像。系統(tǒng)中集成的磁光克爾能對(duì)整個(gè)晶圓樣品區(qū)域（可按X和Y軸自由移動(dòng)）進(jìn)行磁滯回線掃描和區(qū)域Mapping的測(cè)量，最終繪制得到晶圓樣品整體區(qū)域的磁性分布圖，從而完成晶圓樣品的檢測(cè)。該款晶圓級(jí)磁光克爾測(cè)繪儀選用NanoMOKE3特創(chuàng)的光學(xué)盒，繼承了其測(cè)量速度快，操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。整個(gè)測(cè)量過程可以通過系統(tǒng)自帶的LX PRO3軟件完成，無需進(jìn)行繁瑣的實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)值，大大增加了實(shí)驗(yàn)效率。

晶圓掃描探測(cè)系統(tǒng)裝配圖

Durham公司特創(chuàng)的NanoMOKE3磁光克爾光學(xué)集成盒是Cowburn教授從事MOKE系統(tǒng)研發(fā)和深耕多年的結(jié)晶。不但減輕了實(shí)驗(yàn)人員的操作繁瑣度，更重要的是以磁光克爾效應(yīng)為基礎(chǔ)，為更豐富領(lǐng)域的測(cè)量提供了可能，有望助力各個(gè)領(lǐng)域科研人員實(shí)現(xiàn)更高水平的突破！

參考文獻(xiàn)：

[1]. Chen, X., Higo, T., Tanaka, K.et al. Octupole-driven magnetoresistance in an antiferromagnetic tunnel junction. Nature 613, 490–495 (2023).

相關(guān)產(chǎn)品：

NanoMOKE3-磁光克爾效應(yīng)系統(tǒng)