磁光克爾效應系統再發Nature：全反鐵磁隧道結新突破！

　　巨磁阻效應自發現以來就被廣泛應用于MRAM、磁傳感器等自旋電子器件中。目前，基于巨磁阻效應的自旋電子器件主要是鐵磁體磁隧道結，其研究和發展受限于鐵磁體的使用。因此，為進一步提升自旋電子器件的磁阻比等性能，探究其他磁體開發的高效自旋電子器件的研究非常有必要。

　　近期，東京大學的Satoru Nakatsuji團隊對手性反鐵磁體Mn₃Sn組成的磁隧道結進行了深入探究。作者首先對Mn₃Sn手性反鐵磁態中自旋正極化、負極化和磁八極的投影態密度進行了表征，發現八極矩的大多數和少數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和少數能帶的漂移非常相似，并根據第一性原理進行了模擬驗證，結果表明Mn₃Sn在基于隧穿磁阻(TMR)的器件(如MRAM)中具有巨大的應用潛力。此外，為了更好的觀測其TMR效應，作者制備了基于Mn₃Sn的磁性隧道結( MTJ )，測得室溫下的隧穿磁阻(TMR)比率約為2%，出現在手性反鐵磁狀態下簇磁八極的平行和反平行構型之間。該成果以《Octupole-driven magnetoresistance in an antiferromagnetic tunnel junction》為題發表在Nature上。

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

　　本文中，作者使用了英國Durham公司的磁光克爾效應系統-NanoMOKE3，通過系統自帶的磁滯回線測量功能，對反鐵磁隧道結頂部和底部Mn₃Sn電極的矯頑力進行了測量。

圖2 室溫基于手性Mn₃Sn反鐵磁體的磁隧道結表征圖 （a）高分辨率TEM表征圖（b）磁光克爾測量示意圖（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大學的高科技企業。與Durham大學強大的磁光學研究相對應，Durham公司的Russell Cowburn教授（英國劍橋大學卡文迪許實驗室主任，英國科學院院士）設計并研發了靈敏度能到10-12 emu兼具Kerr顯微鏡與回線測量功能的高精度磁光克爾效應系統——NanoMOKE3。相比于歷代MOKE系統，NanoMOKE3系統將磁光克爾的光路部分集成在光學盒中，避免了實驗人員測試前搭建光路的工作，大大減少了實驗人員操作量。另外，光學盒中的光路經過特殊設計，可以同時實現極向克爾和縱向克爾的測量，無需調整光路，只需更換鏡片即可完成極向克爾和縱向克爾的切換。

左）NanoMOKE3磁光克爾效應系統；右）NanoMOKE3光學集成盒

　　因其高集成度的系統設計和開放式的樣品環境，NanoMOKE3具備豐富的拓展性。實驗人員可以以NanoMOKE3系統為基礎，與其他實驗設備組合搭建，進行其他領域方面的測量。

　　一、低溫磁光克爾系統

　　NanoMOKE3系統允許用戶在樣品臺部分搭建低溫恒溫器，實現低溫磁光克爾的測量。例如，下圖所示為NanoMOKE3與美國Montana Instrument無液氦低溫恒溫器進行了組合使用，從而實現了10K以下的磁光克爾測量。NanoMOKE3的低溫磁光克爾測量性能在國內外領域內具有極高的水平。此低溫MOKE方案已在南方科技大學安裝使用。

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

　　二、晶圓掃描探測系統

　　如今，越來越多的晶圓檢測設備采用非接觸式的光學測量，取代了傳統的接觸式晶圓測試方法。其中，以磁光克爾效應原理進行晶圓檢測的方法就因其操作簡單、檢測速度快而被廣泛使用。

　　Durham公司在現有磁光克爾系統基礎上改造升級，推出了超高靈敏度的晶圓掃描探測系統（wafer mapper），專門用于測量整個晶圓表面的磁滯回線和磁疇圖像。系統中集成的磁光克爾能對整個晶圓樣品區域（可按X和Y軸自由移動）進行磁滯回線掃描和區域Mapping的測量，終于繪制得到晶圓樣品整體區域的磁性分布圖，從而完成晶圓樣品的檢測。該款晶圓級磁光克爾測繪儀選用NanoMOKE3特創的光學盒，繼承了其測量速度快，操作簡單的優點。整個測量過程可以通過系統自帶的LX PRO3軟件完成，無需進行繁瑣的實驗預設值，大大增加了實驗效率。

晶圓掃描探測系統裝配圖

　　Durham公司特創的NanoMOKE3磁光克爾光學集成盒是Cowburn教授從事MOKE系統研發和深耕多年的結晶。不但減輕了實驗人員的操作繁瑣度，更重要的是以磁光克爾效應為基礎，為更豐富領域的測量提供了可能，有望助力各個領域科研人員實現更高水平的突破！

　　參考文獻：

　　[1]. Chen, X., Higo, T., Tanaka, K.et al. Octupole-driven magnetoresistance in an antiferromagnetic tunnel junction. Nature613, 490–495 (2023).

　　相關產品：

　　磁光克爾效應測量系統-NanoMOKE3