Nat. Commun. ：无液氦低温磁光克尔助力金属-绝缘体转变研究
发布日期：2022-01-08
具有独特功能特性的材料可以替代大型复杂电路，地提高电子设备的可扩展性和能效。例如，使用电压应用诱导电阻开关的材料，可以在仅由几个元件组成的电路中模拟突触可塑性和不同的神经元尖峰行为。相比之下，传统互补金属氧化物半导体（CMOS）则需要数十个晶体管来实现类似的功能。深入了解此类先进电子材料的物理特性及其对外部刺激的响应对于后续设计应用程序关重要。迄今为止已有许多研究探索了基于离子电迁移的非易失性开关的特性，这在存储器中具有广阔的应用前景。
近期，人们对一种不同类型的电阻开关产生了的兴趣。该类型的电阻开关是由金属-绝缘体转变的电触发变化而产生的易失性开关，即改变材料电荷传输特性的本征相变（例如，莫特或佩尔斯转变）。这种易失性切换是通过向金属-绝缘体转变材料施加并保持电刺激而诱发的，并且在关闭刺激后，这种开关自动重置回初始状态（因此称为“易失性”）。基于金属-绝缘体转变的开关通常伴随着电阻率和光学特性的巨大变化，这使得其在射频电子学、光电学和受生物启发的人工神经元中的应用具有吸引力。
近期，加利福尼亚大学圣地亚哥分校物理科学与先进科学中心的Pavel Salev，Ivan K. Schuller等利用无液氦低温磁光克尔效应系统-CryoMOKE研究了基于La0.7Sr0.3MnO3（LSMO）薄膜器件中金属-绝缘体转变电触发的易失性电阻开关，从金属到绝缘体，发生在一个相应的特征空间模式中，形成一个垂直于驱动电流的绝缘势垒。这种势垒的形成导致电流-电压特性中出现不寻常的N型负微分电阻。作者进一步证明电诱导横向势垒能够实现电压控制磁性的独特方法。通过触发磁性材料中的金属-绝缘体电阻开关，使用施加到整个设备的全局电压偏置实现铁磁性的局部开/关控制。该成果以《Transverse barrier formation by electrical triggering of a metal-to-insulator transition》为题发表在Nature Communications.
图1 金属-绝缘体电阻开关的磁光成像 a.磁光测量示意图，在器件区域的每个xy点处获得MOKE磁滞回线。沿器件长度方向在平面内施加磁场。在整个测量时间内，电压偏置保持不中断。b. 同时记录I–V曲线（中心）和MOKE xy成像图（侧面）。图中的亮区对应于铁磁LSMO。总视场为90×140μm2。在MOKE成像图中，电流沿着水平方向。随着I–V穿过负微分电阻，在器件中心出现横向绝缘顺磁势垒，并随着外加电压的增加而不断扩展。I–V图中的插图显示了势垒尺寸d，作为施加电压的函数，V。c. 在24 V下的MOKE成像图和对应于记录的三个器件区域（使用罗马数字标记）的局部磁滞回线。当器件两侧（区域I和III）显示铁磁响应时，中心（区域II）的MOKE信号为零。所有测量均在100 K下进行。
为解释金属-绝缘体电阻开关的潜在微观机制，该工作的研究者利用金属-绝缘体转变与磁跃迁同时发生的事实，对LSMO器件进行了操作成像。使用扫描磁光克尔效应（MOKE）显微镜（图1a），绘制了施加电压偏置时铁磁区域的空间分布图。测量过程使用5 μm大小的激光束记录设备区域上每个点的MOKE磁滞回线，通过绘制MOKE回线量级（即大克尔旋转角）的xy图来表示数据。在传统的MOKE图像中，对比度来源于不同磁化方向的区域。在这篇工作中，亮区对应于铁磁性区域，而暗区表示没有铁磁性。
该研究发现金属-绝缘转换是通过在垂直于电流的方向上形成横跨整个器件宽度的绝缘势垒来实现的。图1b显示了不同电压下的MOKE图和相应的I–V曲线。该器件在15 V以下仍保持均匀的铁磁（金属）状态，但施加更高的电压会导致LSMO转变为性质不同的状态。在16 V时，I–V曲线显示出一个小的跳跃，同时在器件中心附近出现一个~5 μm宽的无磁性畴。磁畴横跨整个器件宽度，其尺寸随着外加电压的增加而增大，直到电压升48 V时覆盖整个器件（图1b中I–V图中的插图）。
值得注意的是，本工作中低温下的磁光克尔测试使用了DMO和Montana公司联合研发的低温磁光克尔效应系统- CryoMOKE，该设备可以实现在4~350K范围的高灵敏度磁滞回线及磁畴成像测试，Montana提供了超低振动的无液氦低温恒温器，该恒温器可以连接多种电学测试，可以在测量磁光克尔的同时在样品上施加电流/电压。
图2 DMO和Montana公司联合研发的CryoMOKE
NanoMOKE3主要技术特点：
☛ 温度范围：4~350K
☛ 振动：小于5nm
☛ 纵向/极向磁光克尔
☛ 纵向磁场：＞0.4T，极向磁场＞0.3T
☛ 高灵敏度磁滞回线测试及磁畴成像
CryoMOKE国内客户：
 |  |
| 南方科技大学 | 中国科学院化学研究所 |
参考文献：
[1] Pavel S, Ivan K. S,et al. Transverse barrier formation by electrical triggering of a metal-to-insulator transition. Nat. Commun.12,5499(2021)
