在傳統(tǒng)平鋪點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中，簡(jiǎn)單的磁序配置通常表現(xiàn)為共線自旋排列，這主要受海森堡交換相互作用驅(qū)動(dòng)。但隨著微納加工技術(shù)的飛速發(fā)展，能夠打破空間反演對(duì)稱性的低維彎曲幾何結(jié)構(gòu)引起了研究者的廣泛關(guān)注。這種曲率效應(yīng)與磁性材料中自發(fā)的破壞時(shí)間反演對(duì)稱性相結(jié)合，可以誘導(dǎo)出如磁性渦旋、天線、斯格明子等非共線自旋紋理。這些復(fù)雜的磁結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)物理研究以及下一代高密度非易失性存儲(chǔ)器和自旋電子器件開(kāi)發(fā)中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。目前研究人員已經(jīng)探索了多種彎曲表面的磁構(gòu)型，致力于利用幾何設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)拓?fù)浯判院褪中源艖B(tài)，從而為新型電子材料的設(shè)計(jì)開(kāi)辟了新的路徑。

盡管該領(lǐng)域已取得諸多進(jìn)展，但當(dāng)前的研究仍面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，尤其是在高質(zhì)量晶體彎曲結(jié)構(gòu)中的徑向磁性探索方面。在以往的大多數(shù)研究中，所使用的材料多為非晶態(tài)或多晶態(tài)，由于存在巨大的幾何退磁場(chǎng)，薄膜的磁易軸通常傾向于面內(nèi)方向，難以實(shí)現(xiàn)理想的徑向分布。此外如何在彎曲過(guò)程中精確控制晶格應(yīng)力并保持高度的結(jié)晶質(zhì)量，也是構(gòu)建高性能微結(jié)構(gòu)器件的關(guān)鍵技術(shù)難題。

針對(duì)上述問(wèn)題，由中國(guó)科學(xué)院物理研究所、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)、清華大學(xué)以及松山湖材料實(shí)驗(yàn)室等機(jī)構(gòu)組成的研究團(tuán)隊(duì)利用澤攸科技的DMD無(wú)掩膜光刻機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，團(tuán)隊(duì)通過(guò)利用SrTiO3/SrRuO3雙層膜中各向異性的界面應(yīng)力自組裝技術(shù)，在具有高結(jié)晶質(zhì)量的SrRuO3微型管道中實(shí)現(xiàn)了徑向彎曲磁構(gòu)型的精確制備與磁電輸運(yùn)機(jī)制研究。

研究團(tuán)隊(duì)利用脈沖激光沉積技術(shù)，在鈦酸鍶襯底上成功制備了具有高度結(jié)晶質(zhì)量的鈦酸鍶與釕酸鍶外延雙層薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)。該設(shè)計(jì)巧妙地引入了二十納米厚度的鈷酸鍶作為犧牲層，通過(guò)調(diào)控外延層之間的晶格失配率，在薄膜內(nèi)部預(yù)存了特定的界面應(yīng)變能。通過(guò)精確選擇襯底的晶體取向，研究人員實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)變分布的各向異性控制，從而為后續(xù)通過(guò)釋放應(yīng)變能來(lái)驅(qū)動(dòng)薄膜自卷曲形成微米級(jí)管狀結(jié)構(gòu)奠定了物理基礎(chǔ)。

圖1 卷曲微結(jié)構(gòu)的涉及與制備

在微納加工的關(guān)鍵流程中，研究人員首先利用澤攸科技的DMD無(wú)掩膜光刻機(jī)對(duì)異質(zhì)結(jié)薄膜進(jìn)行毫米級(jí)的圖形化定域，隨后通過(guò)離子束刻蝕工藝精確定義出矩形或盤(pán)狀的微觀結(jié)構(gòu)單元。當(dāng)使用酸性溶液選擇性地去除犧牲層后，預(yù)應(yīng)變的外延雙層膜會(huì)沿著特定的晶體軸向發(fā)生自發(fā)的卷曲行為，最終形成直徑在亞微米至數(shù)十微米范圍內(nèi)可調(diào)的微型管道。這種制造工藝不僅保證了彎曲結(jié)構(gòu)依然維持高的晶體質(zhì)量，還通過(guò)應(yīng)變輔助自組裝手段克服了傳統(tǒng)加工方式難以形成復(fù)雜三維幾何形狀的局限性。

圖2 可控的卷曲微結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)通過(guò)超導(dǎo)量子干涉儀對(duì)微管陣列進(jìn)行了詳盡的磁學(xué)特性表征，結(jié)果證實(shí)釕酸鍶薄膜在卷曲后表現(xiàn)出獨(dú)特的徑向磁構(gòu)型。由于釕酸鍶晶體本身具有強(qiáng)力的自旋軌道耦合及隨之產(chǎn)生的磁晶各向異性，其磁易軸始終保持垂直于薄膜表面，在微管幾何形狀中則表現(xiàn)為磁矩沿徑向連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。這種徑向?qū)ΨQ的旋轉(zhuǎn)磁序在零場(chǎng)下展現(xiàn)出約百分之六十三點(diǎn)七的歸一化剩余磁化強(qiáng)度，這一數(shù)值與理論模型預(yù)測(cè)高度吻合，有力地證明了研究團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了純粹的徑向曲面磁學(xué)系統(tǒng)。

圖3 磁性釕酸鍶（SRO）微型管道的宏觀磁化測(cè)量

為了深入理解曲率對(duì)電子散射機(jī)制的影響，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)單個(gè)微管進(jìn)行了溫度及角度依賴的磁電阻輸運(yùn)測(cè)量。通過(guò)將微管等效為無(wú)數(shù)條縱向排列的平鋪薄膜條帶，研究者建立了一個(gè)積分物理模型，成功模擬了微管整體電阻與局部磁矩分布之間的內(nèi)在聯(lián)系。研究發(fā)現(xiàn)，微管的各向異性磁電阻效應(yīng)不僅與外部磁場(chǎng)有關(guān)，更深層次地反映了彎曲空間中格點(diǎn)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的保持及其對(duì)電荷輸運(yùn)的調(diào)制作用。這一成果為設(shè)計(jì)基于三維曲面磁構(gòu)型的新型自旋電子器件提供了關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)依據(jù)和理論支撐。

圖4 薄膜與微型管道的電輸運(yùn)測(cè)量

澤攸科技ZML系列是基于DMD的無(wú)掩膜光刻機(jī)，以DMD替代傳統(tǒng)掩模版，可快速靈活設(shè)計(jì)光刻圖案，支持二維及8位灰度光刻，能滿足任意微米量級(jí)光刻需求，廣泛應(yīng)用于MEMS、微流控等多個(gè)領(lǐng)域。

澤攸科技ZML系列DMD無(wú)掩膜光刻機(jī)

澤攸科技專注于掃描電子顯微鏡、原位測(cè)量系統(tǒng)、臺(tái)階儀、納米位移臺(tái)、光柵尺、探針臺(tái)、電子束光刻機(jī)、二維材料轉(zhuǎn)移臺(tái)、超高真空組件及配件、壓電物鏡、等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)等精密設(shè)備的研究，滿足國(guó)家在科學(xué)精密儀器領(lǐng)域的諸多空白。澤攸科技以自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)為核心，依托一支專業(yè)的研發(fā)與生產(chǎn)團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過(guò)二十多年的技術(shù)積累，在半導(dǎo)體加工設(shè)備和材料表征測(cè)量領(lǐng)域已屬于國(guó)內(nèi)頭部。公司承擔(dān)和參與了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家重大科研裝備研制項(xiàng)目等多個(gè)重量級(jí)科研項(xiàng)目，多次實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)材料表征測(cè)量設(shè)備的“國(guó)產(chǎn)替代"，相關(guān)產(chǎn)品具有較好的國(guó)際聲譽(yù)、產(chǎn)品檢測(cè)數(shù)據(jù)被國(guó)際盛名期刊采納。