早在1996年，John Slonczewski和Luc Berger就提出一個(gè)理論，即大密度電流可以驅(qū)動(dòng)磁化翻轉(zhuǎn)，這被稱為自旋轉(zhuǎn)移矩（spin transfer torque）。該理論指出電荷的運(yùn)動(dòng)也可以影響自旋的取向。1998年，這個(gè)理論被實(shí)驗(yàn)證實(shí)后成為了廣泛研究的熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)的電子器件（通過操縱非磁性半導(dǎo)體中的電荷來處理信息）不同，自旋電子器件基于電子的自旋，提供了創(chuàng)新的解決方案。為了將自旋電子學(xué)納入現(xiàn)有的成熟半導(dǎo)體技術(shù)中，基于自旋的器件通常設(shè)計(jì)為具有磁性隧道結(jié)的核心結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用到磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（MRAM）的生產(chǎn)工藝之中。

近日在Advanced Science期刊上發(fā)表的一篇高自旋軌道轉(zhuǎn)矩效率范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究，對(duì)如何有效提高自旋軌道轉(zhuǎn)移矩(SOT)效率并盡可能降低臨界電流密度進(jìn)行了進(jìn)一步討論。

文中指出范德華異質(zhì)結(jié)能夠在室溫條件下提供高性能自旋電子注入，并對(duì)關(guān)鍵性的拓?fù)浣^緣體層的作用進(jìn)行了詳細(xì)探討。通過其拓?fù)浔砻鎽B(tài)自旋軌道鎖定增強(qiáng)了SOT自旋軌道轉(zhuǎn)移矩效率，同時(shí)拓?fù)浔砻鎽B(tài)的低電導(dǎo)也有效抑制了通過體態(tài)拓?fù)浣^緣體以及臨近的鐵磁金屬層的漏電流，從而保障了界面電荷-自旋轉(zhuǎn)換效率。

該工作由韓國浦項(xiàng)科技大學(xué)Jun Sung Kim，Gil-Ho Lee和三星先進(jìn)技術(shù)研究院Won Joon Cho（共同通訊作者）等合作完成。研究團(tuán)隊(duì)采用了由塊材絕緣TI Sn摻雜的Bi_1.1Sb_0.9Te₂S₁原子薄層和室溫鐵磁體Fe₃GaTe₂組成的vdW異質(zhì)結(jié)，使TSS上的相對(duì)電流比提高到≈20%。

該研究工作運(yùn)用Lake Shore 公司生產(chǎn)的M81-SSM多通道高精度低噪聲綜合電學(xué)測(cè)量儀，利用其精細(xì)電流及高靈敏度電表完成了大量電學(xué)輸運(yùn)相關(guān)的測(cè)量。

圖 1. Sn-BSTS 和 Fe₃GaTe₂ 納米器件的器件構(gòu)造和表征

圖 2. Fe₃GaTe₂ 塊狀晶體和原子級(jí)薄片的磁性能

圖 3. 通過二次諧波測(cè)量得出的電流感應(yīng)SOT磁場(chǎng)

MeasureReady™ M81-SSM系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，并利用MeasureSync™自主研發(fā)信號(hào)同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)源模塊和測(cè)量模塊的所有通道最高100kHz的信號(hào)實(shí)時(shí)同步。利用MeasureSync™技術(shù)M81系統(tǒng)可以在同一時(shí)間對(duì)所有通道進(jìn)行采樣，確保在相同條件下對(duì)被測(cè)器件或樣本進(jìn)行測(cè)試，獲得一致性的數(shù)據(jù)。

M81采用主機(jī)與模塊的搭配方案

M81主機(jī)是M81 SSM系統(tǒng)的核心。根據(jù)訂購的型號(hào)，儀器支持 2、4 或 6 個(gè)通道，分別包括 1、2 或 3 個(gè)信號(hào)源和 1、2 或 3 個(gè)測(cè)量單元。每臺(tái) M81 儀器可管理 1 至 3 個(gè)信號(hào)源通道和 1 至 3 個(gè)測(cè)量通道，以便在單個(gè)測(cè)試序列中測(cè)試多個(gè)被測(cè)器件或樣品，而不會(huì)因線路復(fù)雜化和信號(hào)切換造成信號(hào)劣化。此外還可以將多臺(tái)儀器組合起來，進(jìn)一步提高信號(hào)源和測(cè)量通道的能力，而不會(huì)降低模擬性能，同時(shí)利用 MeasureSync™ 對(duì)系統(tǒng)內(nèi)所有信號(hào)通道進(jìn)行定時(shí)同步。

M81主機(jī)

該主機(jī)以 MeasureReady™ 儀器平臺(tái)為基礎(chǔ)，采用圖形化觸摸屏界面進(jìn)行編程控制和監(jiān)測(cè)。其符合人體工程學(xué)設(shè)計(jì)的前面板具有 TiltView™ 顯示屏，無論是在工作臺(tái)上還是安裝在機(jī)架上，都能獲得更佳的可視性。它還支持標(biāo)準(zhǔn) LAN、USB 和 GPIB 通信。

M81-SSM采用主機(jī)和模塊搭配使用的方案，一個(gè)主機(jī)可以同時(shí)擴(kuò)展至多3個(gè)源表模塊以及至多3個(gè)測(cè)量模塊，每個(gè)模塊均可以適配直流以及最高100kHz的測(cè)量范圍。具體有以下模塊可供選擇：

1.  VM-10 電壓測(cè)量模塊

該模塊提供分辨率從低納伏到 10 V 的直流至 100 kHz 電壓測(cè)量，包括振幅、相位和諧波檢測(cè)功能。專有的無縫量程技術(shù)允許在增減量程時(shí)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。

VM-10 電壓測(cè)量模塊

2.  CM-10電流測(cè)量模塊

該模塊可在直流至 100 kHz 范圍內(nèi)，以接近零的輸入偏移電壓測(cè)量 fA 至 100 mA 的電流，包括幅值、相位和諧波檢測(cè)功能。該模塊還具有可配置的硬件和軟件濾波功能。

CM-10電流測(cè)量模塊

3. BCS-10電流源模塊

該模塊提供 1 pA 至 100 mA 的可編程電流，最大符合 ±10 V 的直流輸出至 100 kHz 正弦輸出。BCS-10 源自 Lake Shore 業(yè)界先進(jìn)的 372 型交流電阻電橋，采用差分或平衡設(shè)計(jì)，有助于減少或消除低溫恒溫器和其他研究設(shè)備中經(jīng)常遇到的接地回路。它擴(kuò)展了 372 型平衡源的功能，增加了可變頻率和振幅編程能力，在保持出色噪聲性能的同時(shí)，提高了靈活性。

BCS-10電流源模塊

4. VS-10電壓源模塊

該模塊可提供 ±1 nV 至 ±10 V 的可編程電壓，最大符合 100 mA 的直流至 100 kHz 正弦輸出。VS-10 適用于柵極偏置、電壓掃描 I-V 曲線剖析，以及需要高穩(wěn)定電壓并結(jié)合電流、電阻/電感和其他材料或電子器件測(cè)量的應(yīng)用。

VS-10電壓源模塊

不同的模塊搭配也為不同應(yīng)用場(chǎng)景提供了不同的解決方案，常見的測(cè)量搭配有：

二維材料，納米線，有機(jī)半導(dǎo)體 VS module + CM module, primarily I-V特性曲線，4引線法 M81優(yōu)勢(shì)：低電壓源噪聲，低電流測(cè)量噪聲
金屬-絕緣體相變，二維材料，超導(dǎo)材料 BCS module + VM module 交流電阻，表面電阻，交流霍爾 M81優(yōu)勢(shì)：交流電流霍爾：電阻和霍爾電壓的同步測(cè)量； 在不同頻率的超低溫恒溫器中同時(shí)測(cè)量多達(dá)三個(gè)器件
光電二極管和光電晶體管 CM module + occasionally VS module M81優(yōu)勢(shì)：可編程偏置電壓源
自旋輸運(yùn) DC/AC: BCS module + VM module M81優(yōu)勢(shì)：同步測(cè)量電阻、霍爾電壓和諧波霍爾電壓
MIS結(jié)、約瑟夫森結(jié)、晶體管中的缺陷表征 VS module + CM module M81優(yōu)勢(shì)：雙 DAC 交流和直流電源
熱電材料、一維材料 AC, BCS module + VM module M81優(yōu)勢(shì)：相位相關(guān)電流源，同步諧波檢測(cè)

綜合以上這些測(cè)量方案， M81-SSM 的強(qiáng)大功能不言而喻，能夠?yàn)閺V大科研工作者提供表征多種測(cè)試結(jié)構(gòu)（包括納米結(jié)構(gòu)、單層和多層原子結(jié)構(gòu)、MEM、量子結(jié)構(gòu)、有機(jī)半導(dǎo)體和超導(dǎo)材料）的超卓解決方案。