SOT自旋轨道转移矩新成果登上Adv. Sci！M81多通道高精度低噪声综合电学测量仪助力电输运关键数据测量
发布日期：2024-06-13
早在1996年，John Slonczewski和Luc Berger就提出一个理论，即大密度电流可以驱动磁化翻转，这被称为自旋转移矩（spin transfer torque）。该理论指出电荷的运动也可以影响自旋的取向。1998年，这个理论被实验证实后成为了广泛研究的热点。与传统的电子器件（通过操纵非磁性半导体中的电荷来处理信息）不同，自旋电子器件基于电子的自旋，提供了创新的解决方案。为了将自旋电子学纳入现有的成熟半导体技术中，基于自旋的器件通常设计为具有磁性隧道结的核心结构，该结构可以应用到磁性随机存取存储器（MRAM）的生产工艺之中。
近日在Advanced Science期刊上发表的一篇高自旋轨道转矩效率范德华异质结构的研究，对如何有效提高自旋轨道转移矩(SOT)效率并尽可能降低临界电流密度进行了进一步讨论。
文中指出范德华异质结能够在室温条件下提供高性能自旋电子注入，并对关键性的拓扑绝缘体层的作用进行了详细探讨。通过其拓扑表面态自旋轨道锁定增强了SOT自旋轨道转移矩效率，同时拓扑表面态的低电导也有效抑制了通过体态拓扑绝缘体以及临近的铁磁金属层的漏电流，从而保障了界面电荷-自旋转换效率。
该工作由韩国浦项科技大学Jun Sung Kim，Gil-Ho Lee和三星先进技术研究院Won Joon Cho（共同通讯作者）等合作完成。研究团队采用了由块材绝缘TI Sn掺杂的Bi1.1Sb0.9Te2S1原子薄层和室温铁磁体Fe3GaTe2组成的vdW异质结，使TSS上的相对电流比提高到≈20%。
该研究工作运用Lake Shore 公司生产的M81-SSM多通道高精度低噪声综合电学测量仪，利用其精细电流及高灵敏度电表完成了大量电学输运相关的测量。
图 1. Sn-BSTS 和 Fe3GaTe2 纳米器件的器件构造和表征
图 2. Fe3GaTe2 块状晶体和原子级薄片的磁性能
图 3. 通过二次谐波测量得出的电流感应SOT磁场
MeasureReady™ M81-SSM系统采用模块化设计，并利用MeasureSync™自主研发信号同步技术实现信号源模块和测量模块的所有通道最高100kHz的信号实时同步。利用MeasureSync™技术M81系统可以在同一时间对所有通道进行采样，确保在相同条件下对被测器件或样本进行测试，获得一致性的数据。
M81采用主机与模块的搭配方案
M81主机是M81 SSM系统的核心。根据订购的型号，仪器支持 2、4 或 6 个通道，分别包括 1、2 或 3 个信号源和 1、2 或 3 个测量单元。每台 M81 仪器可管理 1 至 3 个信号源通道和 1 至 3 个测量通道，以便在单个测试序列中测试多个被测器件或样品，而不会因线路复杂化和信号切换造成信号劣化。此外还可以将多台仪器组合起来，进一步提高信号源和测量通道的能力，而不会降低模拟性能，同时利用 MeasureSync™ 对系统内所有信号通道进行定时同步。
M81主机
该主机以 MeasureReady™ 仪器平台为基础，采用图形化触摸屏界面进行编程控制和监测。其符合人体工程学设计的前面板具有 TiltView™ 显示屏，无论是在工作台上还是安装在机架上，都能获得更佳的可视性。它还支持标准 LAN、USB 和 GPIB 通信。
M81-SSM采用主机和模块搭配使用的方案，一个主机可以同时扩展至多3个源表模块以及至多3个测量模块，每个模块均可以适配直流以及最高100kHz的测量范围。具体有以下模块可供选择：
1. VM-10 电压测量模块
该模块提供分辨率从低纳伏到 10 V 的直流至 100 kHz 电压测量，包括振幅、相位和谐波检测功能。专有的无缝量程技术允许在增减量程时进行连续测量。
VM-10 电压测量模块
2. CM-10电流测量模块
该模块可在直流至 100 kHz 范围内，以接近零的输入偏移电压测量 fA 至 100 mA 的电流，包括幅值、相位和谐波检测功能。该模块还具有可配置的硬件和软件滤波功能。
CM-10电流测量模块
3. BCS-10电流源模块
该模块提供 1 pA 至 100 mA 的可编程电流，最大符合 ±10 V 的直流输出至 100 kHz 正弦输出。BCS-10 源自 Lake Shore 业界领先的 372 型交流电阻电桥，采用差分或平衡设计，有助于减少或消除低温恒温器和其他研究设备中经常遇到的接地回路。它扩展了 372 型平衡源的功能，增加了可变频率和振幅编程能力，在保持出色噪声性能的同时，提高了灵活性。
BCS-10电流源模块
4. VS-10电压源模块
该模块可提供 ±1 nV 至 ±10 V 的可编程电压，最大符合 100 mA 的直流至 100 kHz 正弦输出。VS-10 适用于栅极偏置、电压扫描 I-V 曲线剖析，以及需要高稳定电压并结合电流、电阻/电感和其他材料或电子器件测量的应用。
VS-10电压源模块
不同的模块搭配也为不同应用场景提供了不同的解决方案，常见的测量搭配有：
| 二维材料，纳米线，有机半导体 VS module + CM module, primarily I-V特性曲线，4引线法 M81优势：低电压源噪声，低电流测量噪声 |  | |
金属-绝缘体相变，二维材料，超导材料 BCS module + VM module 交流电阻，表面电阻，交流霍尔 M81优势：交流电流霍尔：电阻和霍尔电压的同步测量； 在不同频率的超低温恒温器中同时测量多达三个器件 | ||
光电二极管和光电晶体管 CM module + occasionally VS module M81优势：可编程偏置电压源 | ||
自旋输运 DC/AC: BCS module + VM module M81优势：同步测量电阻、霍尔电压和谐波霍尔电压 | ||
MIS结、约瑟夫森结、晶体管中的缺陷表征 VS module + CM module M81优势：双 DAC 交流和直流电源 | ||
热电材料、一维材料 AC, BCS module + VM module M81优势：相位相关电流源，同步谐波检测 |
综合以上这些测量方案， M81-SSM 的强大功能不言而喻，能够为广大科研工作者提供表征多种测试结构（包括纳米结构、单层和多层原子结构、MEM、量子结构、有机半导体和超导材料）的超卓解决方案。
