《Small》：精确调控样品磁性！氦离子辐照改善磁畴壁动力学

      近年来，人们在不断探索新型低能耗，高存储密度的新型磁存储材料。特别是对于磁畴壁动力学、斯格明子等方面的研究吸引了大批科研人员的目光。随着研究的深入，制备出具有特定磁各项异性的材料并且进行精细的调控变的尤为重要。在对样品特性精细调控的技术中，利用氦离子辐照是对样品无损坏的一种高精度手段。氦离子辐照具有精度高、均匀性好、条件更加灵活、易于控制等优势，与其它改性方法相比，有利于器件或集成电路的大规模生产。基于此，法国Spin-Ion 公司经多年研发推出离子辐照磁性精细调控系统Helium-S^®。该系统采用创新的离子束技术，可以通过超紧凑和快速的氦离子束设备精确控制原子间的位移，使其能够在原子尺度上加工材料，并通过离子束工艺来调控薄膜和异质结构。设备一经推出，便受到广大科学家的关注，截止目前已有20多家科研和工业用户以及合作伙伴使用该技术，国内也在北航和复旦等高校安装该系统，其独有的技术正受到来自相关科研圈和工业领域越来越多的认可。

     近期，来自于法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学CNRS-Institut Néel实验室的Stefania Pizzini团队联合法国Spin-Ion Technologies公司的两名工程师利用离子辐照磁性精细调控系统Helium-S^®对Pt/Co/AlOx磁性薄膜进行了磁性调控研究。文章以“Improving Néel Domain Walls Dynamics and Skyrmion Stability Using He Ion Irradiation”为题发表在Small上。

氦离子辐照量对样品的磁各向异性的影响

      文章讨论了使用离子辐照磁性精细调控系统Helium-S^®对Pt/Co/AlOx三层膜的磁性能产生的影响。研究人员发现，氦离子辐照可以改善Néel磁畴壁的动力学和斯格明子的稳定性。辐照可以降低垂直磁各向异性（PMA），而不影响界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）的强度。这使得磁畴壁可以在较低的磁场下达到更大的速度。该研究表明，将PMA与DMI分离对于基于磁畴壁动力学的低能耗设备的设计是有益的。同时，辐照还可以调节斯格明子的大小和稳定性，使其更加稳定并且可以在更高的磁场下存在。这些结果表明氦离子辐照可以对基于磁畴壁动力学和斯格明子的低能耗设备的设计产生积极影响。

氦离子辐照量对样品的磁畴壁和斯格明子的影响

     该项工作中使用的离子辐照磁性精细调控系统Helium-S®已经成为磁性薄膜研究与性能调控的重要手段。该系统可以对直径1英寸的晶圆进行扫描辐照，具有精度高，可控性好等特点。

应用领域：

☛ 磁性随机存储器(MRAM)：自旋转移矩磁性随机存储(STT-MRAM)，自旋轨道矩磁性随机存储(SOT-MRAM)，磁畴壁磁性随机存储(DW-MRAM)等；

☛ 自旋电子学：斯格明子，磁性隧道结，磁传感器等；

☛ 磁学相关：磁性氧化物，多铁性材料；

☛ 其他方向：薄膜改性，芯片加工，仿神经器件，逻辑器件等。

产品特点：

☛ 可通过超紧凑和快速的氦离子束设备精确控制原子间的位移，通过氦离子辐照可精确调控磁性薄膜或晶圆的磁学性质。

☛ 可提供能量范围：1-30 keV的He+离子束

☛ 采用创新的电子回旋共振（ECR）离子源

☛ 可对25 mm的试样进行快速的均匀辐照（几分钟）

☛ 超紧凑的设计，节省实验空间

☛ 可与现有的超高真空设备互联

离子辐照磁性精细调控系统Helium-S®

测试数据：

调控界面各向异性性质和DMI

低电流诱发的SOT转换获取

控制斯格明子和磁畴壁的动态变化

用户单位 已经购买该设备的国内外用户单位：

Beihang University (China)

Fudan University (China)

University of California San Diego (USA)

University of California Davis (USA)

New York University (USA)

Georgetown University (USA)

Northwestern University (USA)

University of Lorraine (France)

SPINTEC Grenoble (France)

University of Cambridge (UK)

University of Manchester (UK)

Nanyang Technological University (Singapore)

A*STAR (Singapore)

University of Gothenburg (Sweden)

Western Digital (USA)

IBM (USA)

Singulus Technologies (Germany)

文章列表：

[1]. Tailoring magnetism by light-ion irradiation, J Fassbender, D Ravelosona, Y Samson, Journal of Physics D: Applied Physics 37 (2004)

[2]. Ordering intermetallic alloys by ion irradiation: A way to tailor magnetic media, H Bernas & D Ravelosona, Physical review letters 91, 077203 (2003)

[3]. Influence of ion irradiation on switching field and switching field distribution in arrays of Co/Pd-based bit pattern media, T Hauet & D Ravelosona, Applied Physics Letters 98, 172506 (2011)

[4]. Ferromagnetic resonance study of Co/Pd/Co/Ni multilayers with perpendicular anisotropy irradiated with helium ions, J-M.Beaujour & A.D. Kent & D.Ravelosona &E.Fullerton, Journal of Applied Physics 109, 033917 (2011)

[5]. Irradiation-induced tailoring of the magnetism of CoFeB/MgO ultrathin films, T Devolder & D Ravelosona, Journal of Applied Physics 113, 203912 (2013)

[6]. Controlling magnetic domain wall motion in the creep regime in He-irradiated CoFeB/MgO films with perpendicular anisotropy, L.Herrera Diez & D.Ravelosona, Applied Physics Letter 107, 032401 (2015)

[7]. Measuring the Magnetic Moment Density in Patterned Ultrathin Ferromagnets with Submicrometer Resolution, T.Hingant & D.Ravelosona & V.Jacques, Physical Review Applied 4, 014003 (2015)

[8]. Suppression of all-optical switching in He+ irradiated Co/Pt multilayers: influence of the domain-wall energy, M El Hadri & S Mangin & D Ravelosona,  J. Phys. D: Appl. Phys. 51, 215004 (2018)

[9]. Tuning the magnetodynamic properties of all-perpendicular spin valves using He+ irradiation, Sheng Jiang & D.Ravelosona & J.Akerman, AIP Advances 8, 065309 (2018)

[10]. Enhancement of the Dzyaloshinskii-Moriya Interaction and domain wall velocity through interface intermixing in Ta/CoFeB/MgO, L Herrera Diez & D Ravelosona, Physical Review B 99, 054431 (2019)

[11]. Enhancing domain wall velocity through interface intermixing in W-CoFeB-MgO films with perpendicular anisotropy, X Zhao & W.Zhao & D Ravelosona, Applied Physics Letter 115, 122404 (2019)

[12]. Controlling magnetism by interface engineering, L Herrera Diez & D Ravelosona, Book Magnetic Nano- and Microwires 2nd Edition, Elsevier (2020)

[13]. Reduced spin torque nano-oscillator linewidth using He+ irradiation, S Jiang & D Ravelosona & J  Akerman, Appl. Phys. Lett. 116, 072403 (2020)

[14]. Spin–orbit torque driven multi-level switching in He+ irradiated W–CoFeB–MgO Hall bars with perpendicular anisotropy, X.Zhao & M.Klaui & W.Zhao & D.Ravelosona, Appl. Phys. Lett 116, 242401 (2020)

[15]. Magnetic field frustration of the metal-insulator transition in V2O3, J.Trastoy & D.Ravelosona & Y.Schuller, Physical Review B 101, 245109 (2020)

[16]. Tailoring interfacial effect in multilayers with Dzyaloshinskii–Moriya interaction by helium ion irradiation, A.Sud & D.Ravelosona &M.Cubukcu, Scientific report 11, 23626 (2021)

[17]. Ion irradiation and implantation modifications of magneto-ionically induced exchange bias in Gd/NiCoO, Christopher J. Jensen & Dafiné Ravelosona, Kai Liu, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 540, 168479 (2021)

[18]. Helium Ions Put Magnetic Skyrmions on the Track, R.Juge & D.Ravelosona & O.Boulle, Nano Lett. 2021 Apr 14;21(7):2989-2996

参考文献：

[1]. Cristina Balan, Johannes W. van de Jagt, et al. Improving Néel Domain Walls Dynamics and Skyrmion Stability Using He Ion Irradiation. Small, 2023. https://doi.org/10.1002/smll.202302039