成果速递|基于NV色心的超分辨量子磁学显微镜助力磁存储研究

    随着半导体工艺的发展，集成电路的关键尺寸已经趋向于几纳米或更小。在2019年的日本SFF（三星晶圆代工论坛）会议上，三星公布了3 nm工艺的具体指标，与现在的7 nm工艺相比，3 nm工艺可将核心面积减少45%，功耗降低50%，性能提升35%。同时，在存储方面，高密度、低能耗、高速度等特点也是量化生产存储器所追求的。然而随着晶体管尺寸的减小, 由量子效应所产生的漏电流及其所导致的热效应使得传统的存储技术遇到了瓶颈。随着自旋电子学的发展，自旋电子器件具有静态功耗低、可无限次高速读写、非易失性存储等优点, 被认为是突破当前瓶颈的关键技术, 因此受到了广泛关注。 MRAM（磁随机存取存储器）和磁性斯格明子等是目前比较有代表性的新型磁存储技术。

    近期，ZG科学院物理研究所磁学国家ZD实验室M02课题组的光耀、刘艺舟博士、于国强特聘研究员、韩秀峰研究员等人与德国马克斯普朗克智能系统研究所Gisela Schütz教授团队、美国加州大学洛杉分校Yaroslav Tserkovnyak教授团队、兰州大学彭勇教授团队合作，利用扫描透射X射线显微镜(STXM)，对[Pt/Co/IrMn]n交换偏置多层膜结构进行了系统的研究，在室温零场条件下成功诱导产生100 nm尺寸的斯格明子。斯格明子的产生机制是由X射线诱导的交换偏置再定向效应所主导的，除极ng确地产生单个斯格明子外，他们还利用X射线产生了多种结构的斯格明子二维“人工晶体”（如图一所示）[1]。

图1. X射线诱导单个斯格明子及斯格明子晶体的产生。a为X射线诱导产生的闭合单畴条(白色虚线矩形框)；b为控制X射线在单畴区域上极ng准产生的两个斯格明子；c-d分别为X射线在单畴区域写入的三角和正方斯格明子人工晶体。d中的标尺条为1 μm

    磁性斯格明子在不同的作用机理下，形成的尺寸大小也有所区别，一般在1 nm~1 μm之间，上面提到的STXM观测，分辨率高，但因其基于同步辐射，不能在普通实验室中完成。近年来发展的基于NV色心的超分辨量子磁学显微镜（如图2所示）^[2]，是一种很好的替代检测设备。相比于传统的显微观测设备如克尔显微镜（分辨率~300 nm），磁力显微镜MFM(分辨率20~50 nm )，该设备除了拥有优于30 nm的磁学分辨率外（10~30 nm，理论上可以到纳米级），还可以进行样品表面磁场大小的定量测试，而且NV 色心作为单自旋探针, 所产生的磁场不会对待测样品有扰动，在磁学显微成像上有着显著的优势。

图2 基于NV色心的超分辨量子磁学显微镜示意图 含有NV色心的金刚石探针通过AFM系统可以对样品进行逐点扫描，定量的获取样品表面的磁场大小信息

    2016年，Y. Dovzhenko等人^[3]通过NV色心磁学显微镜对磁性斯格明子表面的磁场进行了测试，重构出表面杂散磁场的分布，对斯格明子的类型具有指导意义（如图3所示）。在Bloch 型斯格明子的假定下重构出的磁化分布中，ZX处z 方向磁化几乎为零, 也就是磁化方向在面内, 这样的结构无法形成一个完整的斯格明子。而Néel 型假定给出的磁化分布更加符合理论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实验结果. 对一些新颖的磁性斯格明子结构, 如纳米条带的边缘态和双斯格明子,基于NV 色心的磁成像能够为解析其磁化结构提供帮助^[4]。

图3 斯格明子局部磁结构获取 a.测量的杂散磁场z方向分量；b. 在Néel 型和Bloch 型假定下仿真的杂散场z方向分量；(c) (b) 图中在x = x0 和y = y0 处切面与实验值的比较; (d),(e) Néel 型和Bloch 型假定下的磁化分布; (f) Bloch 型假定下y = y0 处在不同外磁场下磁化强度切面

    通常SOT（自旋轨道力矩）诱导的磁畴翻转强烈依赖于磁畴壁的结构，2019年Saül Vélez等人[5]使用NV色心磁学显微镜来揭示TmIG和TmIG/Pt层的磁畴壁磁化情况。如图4所示，作者对TmIG和TmIG/Pt层进行了磁学显微测试，并对图b中的两个不同位置TmIG/Pt和TmIG区域的磁畴边界d/e进行了磁场扫描，经过同模拟结果对比发现位置d处的磁畴壁处于Left Néel-Bloch中间结构，而到了位置e处的磁畴臂转变成了Left Néel 结构，这些结果表明磁性石榴石中存在界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用，为稳定ZX对称磁性绝缘体中的手性自旋织构提供了可能。

图4 用NV磁学显微镜测量了TmIG和TmIG/Pt的畴壁结构和手性 a.测试示意图；b.样品表面杂散磁场测试结果；c.样品表面磁化情况重建；d.e为图4b中虚线位置和磁场分布关系及不同模型的模拟对比

    瑞士的Qzabre公司源自于苏黎世联邦理工大学自旋物理实验室Prof. Christian Degen团队，该团队于2008年S次提出了使用单个NV色心进行扫描磁探测成像[2]，为后续NV色心磁成像技术奠定了基础。基于该团队的技术，Qzabre公司推出了一款用于室温下的基于NV色心的超分辨量子磁学显微镜QSM（如图5所示），该设备拥有优于30 nm级别的磁学分辨的同时，还可以进行定量的测试材料表面的磁场分布，磁场测试灵敏度可到1 μT/Hz^1/2，被广泛应用于磁性材料显微成像分析，如磁性纳米结构分析、铁磁/反铁磁磁畴成像、磁性斯格明子分析、磁畴壁分析、任意波形交流磁场测量、多铁材料扫描以及石墨烯、碳纳米管等电流分布成像。近期，Quantum DesignZG与瑞士Qzabre公司达成战略合作协议，独 家引进Qzabre的NV色心的超分辨量子磁学显微镜QSM，希望可以为ZG的广大科研工作者提供有力的帮助，欢迎大家咨询。

图5 基于NV色心的超分辨量子磁学显微镜QSM外观图

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参考文献：

[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