憶阻器是一類表示磁通與電荷關(guān)系的基礎(chǔ)電路元件，也是構(gòu)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的理想元件。傳統(tǒng)憶阻器多數(shù)是基于材料內(nèi)部的離子遷移和價帶變化實(shí)現(xiàn)的，存在工作壽命短和反應(yīng)速度慢等缺陷，無法支撐持續(xù)訓(xùn)練學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的長時間工作^[2]。與之相反，自旋電子器件基于材料內(nèi)部的磁性變化工作，具有工作壽命長、反應(yīng)速度快等優(yōu)勢^[3-7]。長期以來，科學(xué)和產(chǎn)業(yè)界在不斷地探索如何將磁隧道結(jié)等自旋器件應(yīng)用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算^[8]。然而，經(jīng)典的磁隧道結(jié)僅具有高、低二值阻態(tài)，無法在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算方面發(fā)揮優(yōu)勢。

2021年3月7日，北京航空航天大學(xué)集成電路科學(xué)與工程學(xué)院趙巍勝教授團(tuán)隊教師張學(xué)瑩、博士生蔡文龍、教師王夢醒及潘彪以共同首位作者，趙巍勝教授為通訊作者在Advanced Science期刊在線發(fā)表了題為“Spin‐Torque Memristors Based on Perpendicular Magnetic Tunnel Junctions for Neuromorphic Computing” 的學(xué)術(shù)論文^[1]。趙巍勝教授團(tuán)隊設(shè)計了一種帶有獨(dú)特自由層結(jié)構(gòu)的磁隧道結(jié)，即在自由層中插入了單原子層的W，然后利用退火技術(shù)，讓W(xué)形成聚簇效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了一種基于垂直各向異性磁隧道結(jié)的自旋憶阻器，并在百納米級的器件中實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的近乎連續(xù)的多態(tài)，也是國際上S次實(shí)現(xiàn)百納米尺寸的可全電學(xué)操控的自旋憶阻器（如圖1所示），有望為自旋電子器件在人工智能領(lǐng)域的應(yīng)用打開道路。

圖 1 （a，b）該工作實(shí)現(xiàn)的自旋憶阻器件通過電壓脈沖序列激勵誘導(dǎo)的阻態(tài)變化；（c-e）器件的脈沖時序依賴可塑性驗證。

該研究對這種新型器件的性質(zhì)進(jìn)行了全面的實(shí)驗表征，驗證了這種器件阻態(tài)的脈沖時序依賴可塑性（簡稱STDP，是脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)），證明了其構(gòu)成的系統(tǒng)能夠有效、低功耗地實(shí)現(xiàn)手寫數(shù)字識別等功能。

此外，該研究S次發(fā)現(xiàn)了一種立體的手性渦旋結(jié)構(gòu)（圖2d）：在CoFeB/W/CoFeB構(gòu)成的自由層中，CoFeB/W界面和W/CoFeB界面產(chǎn)生的Dzyaloshinskii-Moriya作用（DMI）相反，同時，兩層CoFeB之間的耦合作用則隨著W的厚度變化出現(xiàn)強(qiáng)度漲落或鐵磁/反鐵磁耦合交替。在局部區(qū)域W出現(xiàn)聚簇效應(yīng)，反鐵磁耦合與反向DMI聯(lián)合作用，促使磁疇壁演變成手性渦旋結(jié)構(gòu)，形成能量勢阱。在磁隧道結(jié)自由層翻轉(zhuǎn)過程中，這種渦旋結(jié)構(gòu)會將運(yùn)動的疇壁牢牢地釘扎住，從而形成了穩(wěn)定的多阻態(tài)。

圖 2  (a)論文所用MTJ膜層中W原子的分布；（b）在反向DMI和不同RKKY耦合強(qiáng)度下CoFeB/W/CoFeB雙磁層中可能存在的磁疇壁形態(tài)；（c）不同磁疇壁形態(tài)對應(yīng)的能量；（d）在W原子聚簇區(qū)域由反向DMI和RKKY反鐵磁耦合共同促進(jìn)形成的立體渦旋結(jié)構(gòu)示意圖。

值得一提的是，Quantum DesignZG與致真精密儀器（青島）有限公司合作推出的多功能高分辨率磁光克爾顯微成像系統(tǒng)對解析自旋憶阻器的工作原理分析和多態(tài)來源方面發(fā)揮了重要作用。

首先，作者通過高分辨率磁光克爾顯微鏡觀察了MTJ膜層自由層的磁性翻轉(zhuǎn)過程，與磁滯回線測量結(jié)果進(jìn)行了對照，發(fā)現(xiàn)文章所用膜層存在較強(qiáng)的磁疇釘扎作用（如圖3）。同時，作者測量了該材料自由層中磁疇壁移動速度，通過蠕行公式（creep mode motion）擬合，提取了一個重要的參數(shù)：本征磁疇壁釘扎磁場Bdep，如圖4a所示。這個磁場是表征磁性薄膜磁疇壁釘扎強(qiáng)度的標(biāo)志性參數(shù)，低于該臨界磁場，不考慮熱擾動的情況下，磁疇壁無法運(yùn)動。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，薄膜中提取的該磁場與憶阻器件中多態(tài)在低溫下的臨界穩(wěn)定磁場幾乎相等，由此確定了自旋憶阻器件的多態(tài)來源于磁疇釘扎（圖4b）。以磁光克爾顯微鏡為工具，通過磁疇壁速度測量提取磁疇壁本征釘扎磁場強(qiáng)度，是少有的能夠定量評估磁性薄膜質(zhì)量和疇壁釘扎強(qiáng)度的方法，在開發(fā)新材料，優(yōu)化自旋電子器件性能方面得到廣泛應(yīng)用^[7][9]。

圖 3 利用高倍磁光克爾顯微鏡觀察到的該自旋憶阻器自由層中磁疇擴(kuò)張狀態(tài)與磁滯回線的對應(yīng)關(guān)系。

圖 4 （a） 磁光克爾顯微鏡測量的CoFeB/W/CoFeB磁性薄膜（藍(lán)）與普通CoFeB薄膜（紅）中磁疇中磁疇壁運(yùn)動速度的比較；以及CoFeB/W/CoFeB中內(nèi)稟釘扎磁場（16.3 mT）與（b）器件在低溫下的多態(tài)穩(wěn)定磁場（去除偏置后為15.5 mT）的比較。

在CoFeB/W/CoFeB自由層薄膜中，為什么會有如此強(qiáng)的磁疇壁釘扎作用呢？作者利用磁光克爾顯微鏡，從DMI、海森堡交換作用強(qiáng)度等多個角度進(jìn)行了細(xì)致表征。首先，分別定量測量了sub/MgO/CoFeB/W薄膜、sub/W/CoFeB/MgO兩種鏡面對稱薄膜結(jié)構(gòu)的DMI，發(fā)現(xiàn)兩種膜層的DMI手性相反且強(qiáng)度相當(dāng)（圖5）。隨后，測量了多態(tài)器件所用的自由層薄膜CoFeB/W/CoFeB的DMI，強(qiáng)度幾乎為零。由此推測，CoFeB/W界面和W/CoFeB的DMI被中和。另一方面，通過透射電鏡，作者觀察到了CoFeB/W/CoFeB中W原子的分布并不均勻，局部出現(xiàn)了聚簇，W原子壘疊成2層甚至3層，而多數(shù)區(qū)域W原子則為單層甚至出現(xiàn)斷裂。依據(jù)S. Parkin測量結(jié)果^[10]，雙原子層的W能夠使上下兩層鐵磁材料發(fā)生RKKY反鐵磁耦合。進(jìn)一步，作者通過微磁仿真，結(jié)合磁光克爾成像獲得了關(guān)于DMI，海森堡交換作用（測量方法見該文章附加材料[1]）等參數(shù)，證明在具有W聚簇的區(qū)域，能夠形成上下層手性相反的的垂直渦旋結(jié)構(gòu)。而且，這種渦旋結(jié)構(gòu)具有較低能量，在磁疇壁經(jīng)過之時，能夠形成強(qiáng)烈的釘扎作用。

圖 5 利用磁光克爾顯微鏡測量不同薄膜結(jié)構(gòu)中磁疇壁運(yùn)動的速度以及DMI的提取。

磁光克爾顯微鏡除了能夠獲得高分辨率的動態(tài)磁疇觀測外，在磁性薄膜材料和自旋電子器件動力學(xué)分析領(lǐng)域也有著突出的優(yōu)勢，它能夠直觀、GX、無損地測量多種參數(shù)，包括飽和磁化強(qiáng)度、各向異性強(qiáng)度、海森堡交換作用強(qiáng)度和DMI強(qiáng)度等。通用型的磁光克爾顯微鏡很難對這些磁學(xué)參數(shù)進(jìn)行直接的測量，為了降低使用門檻，使磁光克爾成像和磁疇動力學(xué)分析技術(shù)在磁學(xué)和自旋電子學(xué)中發(fā)揮更大作用，張學(xué)瑩老師在多年積累的測試經(jīng)驗和儀器配置方案基礎(chǔ)上，開發(fā)出了一款多功能、智能化的多場高分辨率磁光克爾成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠讓用戶利用軟件定義電、磁等多種想要的波形，一鍵觸發(fā)后，在樣品上同步施加垂直/面內(nèi)磁場、電流脈沖、微波信號，可同時進(jìn)行磁光克爾成像和電阻等參數(shù)的測量。這種多功能的設(shè)備將電輸運(yùn)測試和磁光克爾成像結(jié)合，預(yù)期將在自旋軌道矩、斯格明子磁泡動力學(xué)等方面發(fā)揮更大作用。

目前，這款多場高分辨率磁光克爾成像系統(tǒng)已經(jīng)獲得了清華大學(xué)、ZG科學(xué)院物理研究所、北京工業(yè)大學(xué)、上海科技大學(xué)等客戶多套訂單。

圖6多功能高分辨率磁光克爾顯微成像系統(tǒng)

產(chǎn)品基本參數(shù)：

• 極向和縱向克爾成像分辨率可達(dá)300 nm；

• 配置二維磁場探針臺，面內(nèi)磁場高達(dá)1 T，垂直磁場高達(dá)0.3 T（配置磁場增強(qiáng)模塊后可達(dá)1.5 T）；

• 快速磁場選件磁場反應(yīng)速度可達(dá)1 μs；

• 可根據(jù)需要選配直流/ 高頻探針座及探針；

• 可選配二次諧波、鐵磁共振等輸運(yùn)測試；

• 配置智能控制和圖像處理系統(tǒng)，可同時施加面內(nèi)磁場、垂直磁場和電學(xué)信號同步觀測磁疇翻轉(zhuǎn)；

• 4K~800K，80K~500K 變溫選件可選。

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