《Small》：精确调控样品磁性！氦离子辐照改善磁畴壁动力学-仪器网

《Small》：精确调控样品磁性！氦离子辐照改善磁畴壁动力学

近年来，人们在不断探索新型低能耗，高存储密度的新型磁存储材料。特别是对于磁畴壁动力学、斯格明子等方面的研究吸引了大批科研人员的目光。随着研究的深入，制备出具有特定磁各项异性的材料并且进行精细的调控变的尤为重要。在对样品特性精细调控的技术中，利用氦离子辐照是对样品无损坏的一种高精度手段。氦离子辐照具有精度高、均匀性好、条件更加灵活、易于控制等优势，与其它改性方法相比，有利于器件或集成电路的大规模生产。基于此，法国Spin-Ion 公司经多年研发推出离子辐照磁性精细调控系统Helium-S^®。该系统采用创新的离子束技术，可以通过超紧凑和快速的氦离子束设备精确控制原子间的位移，使其能够在原子尺度上加工材料，并通过离子束工艺来调控薄膜和异质结构。设备一经推出，便受到广大科学家的关注，截止目前已有20多家科研和工业用户以及合作伙伴使用该技术，国内也在北航和复旦等高校安装该系统，其独有的技术正受到来自相关科研圈和工业领域越来越多的认可。

近期，来自于法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学CNRS-Institut Néel实验室的Stefania Pizzini团队联合法国Spin-Ion Technologies公司的两名工程师利用离子辐照磁性精细调控系统Helium-S^®对Pt/Co/AlOx磁性薄膜进行了磁性调控研究。文章以“Improving Néel Domain Walls Dynamics and Skyrmion Stability Using He Ion Irradiation”为题发表在Small上。

氦离子辐照量对样品的磁各向异性的影响

文章讨论了使用离子辐照磁性精细调控系统Helium-S^®对Pt/Co/AlOx三层膜的磁性能产生的影响。研究人员发现，氦离子辐照可以改善Néel磁畴壁的动力学和斯格明子的稳定性。辐照可以降低垂直磁各向异性（PMA），而不影响界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）的强度。这使得磁畴壁可以在较低的磁场下达到更大的速度。该研究表明，将PMA与DMI分离对于基于磁畴壁动力学的低能耗设备的设计是有益的。同时，辐照还可以调节斯格明子的大小和稳定性，使其更加稳定并且可以在更高的磁场下存在。这些结果表明氦离子辐照可以对基于磁畴壁动力学和斯格明子的低能耗设备的设计产生积极影响。

氦离子辐照量对样品的磁畴壁和斯格明子的影响

该项工作中使用的离子辐照磁性精细调控系统Helium-S®已经成为磁性薄膜研究与性能调控的重要手段。该系统可以对直径1英寸的晶圆进行扫描辐照，具有精度高，可控性好等特点。

应用领域：

☛ 磁性随机存储器(MRAM)：自旋转移矩磁性随机存储(STT-MRAM)，自旋轨道矩磁性随机存储(SOT-MRAM)，磁畴壁磁性随机存储(DW-MRAM)等；

☛ 自旋电子学：斯格明子，磁性隧道结，磁传感器等；

☛ 磁学相关：磁性氧化物，多铁性材料；

☛ 其他方向：薄膜改性，芯片加工，仿神经器件，逻辑器件等。

产品特点：

☛ 可通过超紧凑和快速的氦离子束设备精确控制原子间的位移，通过氦离子辐照可精确调控磁性薄膜或晶圆的磁学性质。

☛ 可提供能量范围：1-30 keV的He+离子束

☛ 采用创新的电子回旋共振（ECR）离子源

☛ 可对25 mm的试样进行快速的均匀辐照（几分钟）

☛ 超紧凑的设计，节省实验空间

☛ 可与现有的超高真空设备互联

离子辐照磁性精细调控系统Helium-S®

测试数据：

调控界面各向异性性质和DMI

低电流诱发的SOT转换获取

控制斯格明子和磁畴壁的动态变化

用户单位已经购买该设备的国内外用户单位：

Beihang University (China)

Fudan University (China)

University of California San Diego (USA)

University of California Davis (USA)

New York University (USA)

Georgetown University (USA)

Northwestern University (USA)

University of Lorraine (France)

SPINTEC Grenoble (France)

University of Cambridge (UK)

University of Manchester (UK)

Nanyang Technological University (Singapore)

A*STAR (Singapore)

University of Gothenburg (Sweden)

Western Digital (USA)

IBM (USA)

Singulus Technologies (Germany)

文章列表：

[1]. Tailoring magnetism by light-ion irradiation, J Fassbender, D Ravelosona, Y Samson, Journal of Physics D: Applied Physics 37 (2004)

[2]. Ordering intermetallic alloys by ion irradiation: A way to tailor magnetic media, H Bernas & D Ravelosona, Physical review letters 91, 077203 (2003)

[3]. Influence of ion irradiation on switching field and switching field distribution in arrays of Co/Pd-based bit pattern media, T Hauet & D Ravelosona, Applied Physics Letters 98, 172506 (2011)

[4]. Ferromagnetic resonance study of Co/Pd/Co/Ni multilayers with perpendicular anisotropy irradiated with helium ions, J-M.Beaujour & A.D. Kent & D.Ravelosona &E.Fullerton, Journal of Applied Physics 109, 033917 (2011)

[5]. Irradiation-induced tailoring of the magnetism of CoFeB/MgO ultrathin films, T Devolder & D Ravelosona, Journal of Applied Physics 113, 203912 (2013)

[6]. Controlling magnetic domain wall motion in the creep regime in He-irradiated CoFeB/MgO films with perpendicular anisotropy, L.Herrera Diez & D.Ravelosona, Applied Physics Letter 107, 032401 (2015)

[7]. Measuring the Magnetic Moment Density in Patterned Ultrathin Ferromagnets with Submicrometer Resolution, T.Hingant & D.Ravelosona & V.Jacques, Physical Review Applied 4, 014003 (2015)

[8]. Suppression of all-optical switching in He+ irradiated Co/Pt multilayers: influence of the domain-wall energy, M El Hadri & S Mangin & D Ravelosona, J. Phys. D: Appl. Phys. 51, 215004 (2018)

[9]. Tuning the magnetodynamic properties of all-perpendicular spin valves using He+ irradiation, Sheng Jiang & D.Ravelosona & J.Akerman, AIP Advances 8, 065309 (2018)

[10]. Enhancement of the Dzyaloshinskii-Moriya Interaction and domain wall velocity through interface intermixing in Ta/CoFeB/MgO, L Herrera Diez & D Ravelosona, Physical Review B 99, 054431 (2019)

[11]. Enhancing domain wall velocity through interface intermixing in W-CoFeB-MgO films with perpendicular anisotropy, X Zhao & W.Zhao & D Ravelosona, Applied Physics Letter 115, 122404 (2019)

[12]. Controlling magnetism by interface engineering, L Herrera Diez & D Ravelosona, Book Magnetic Nano- and Microwires 2nd Edition, Elsevier (2020)

[13]. Reduced spin torque nano-oscillator linewidth using He+ irradiation, S Jiang & D Ravelosona & J Akerman, Appl. Phys. Lett. 116, 072403 (2020)

[14]. Spin–orbit torque driven multi-level switching in He+ irradiated W–CoFeB–MgO Hall bars with perpendicular anisotropy, X.Zhao & M.Klaui & W.Zhao & D.Ravelosona, Appl. Phys. Lett 116, 242401 (2020)

[15]. Magnetic field frustration of the metal-insulator transition in V2O3, J.Trastoy & D.Ravelosona & Y.Schuller, Physical Review B 101, 245109 (2020)

[16]. Tailoring interfacial effect in multilayers with Dzyaloshinskii–Moriya interaction by helium ion irradiation, A.Sud & D.Ravelosona &M.Cubukcu, Scientific report 11, 23626 (2021)

[17]. Ion irradiation and implantation modifications of magneto-ionically induced exchange bias in Gd/NiCoO, Christopher J. Jensen & Dafiné Ravelosona, Kai Liu, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 540, 168479 (2021)

[18]. Helium Ions Put Magnetic Skyrmions on the Track, R.Juge & D.Ravelosona & O.Boulle, Nano Lett. 2021 Apr 14;21(7):2989-2996

参考文献：

[1]. Cristina Balan, Johannes W. van de Jagt, et al. Improving Néel Domain Walls Dynamics and Skyrmion Stability Using He Ion Irradiation. Small, 2023. https://doi.org/10.1002/smll.202302039

低场核磁法研究辐照交联度

交联，是指利用特定的技术手段，在聚合物高分子长链之间形成化学键或者围观镪力物理结合点，从而使聚合物的物理性能、化学性能获得改善并有可能引入新的性能。

这里的“辐照交联度”专指各种核辐射如电子束、γ射线、中子束、粒子束等等，光辐射如紫外光等的应用则属于光化学领域，也可利用紫外光引发交联反应，称为光交联。

聚合物的分子链与链之间缺乏紧密的结合力，使得整体材料在经受外力及环境温度影响时产生变形或发生破坏，限制了其应用。根据实际应用范围和目的，有必要对聚合物进行改性,交联被认为是行之有效的方法。

聚合物交联度一直都是行业难题,传统的溶胀法测试精度低、受人为主观因素较大。在核磁法中,聚合物弛豫衰减曲线随样品内部组分状态的改变而改变,通过核磁弛豫技术可快速无损获得交联链与非交联链信号以得到交联度。

高分子聚合物内的溶剂部分流动性蕞强,衰减最慢;非交联段具有一定的分子运动特性,衰减相对较慢;而交联段所受束缚程度大,分子运动特性小,衰减较快。相比传统的SE或CPMG序列采集的不同,采用MSE-CPMG新序列采集时,通过施加组合脉冲使得核磁共振信号在死时间范围内来回反转从而尽量维持原始的核磁共振信号强度,以此实现更加短的弛豫信息采集,交联度的测试准确性进一步提高。

低场核磁法研究辐照交联度的原理:

低场核磁共振分析技术是利用脉冲激发材料样品中的氢质子发生共振,停止脉冲后,氢质子发生弛豫。样品中处于不同状态的氢质子的弛豫时间是不同的。对其弛豫信号进行检测分析研究可以直接或者间接检测材料的某些特性。低场核磁法是利用低场核磁共振分析技术,通过对烃链上的H分子运动进行评价,根据弛豫分析模型解析出样品的交联度。测试过程无需化学品、对样品无损,测试速度快,一般3分钟以内即可完成测试。

低场核磁共振分析仪的组成

核磁交联密度仪通常由以下几部分组成：

1)控制单元（控制核心，人机交互的界面）；

2)磁体单元（产生射频激励并收集信号的部分）；

3)样品腔（测样部分）。

除以上部分，还有温度控制、电源模块等；

《Small》：精确调控样品磁性！氦离子辐照改善磁畴壁动力学

联系我们

关注我们