具有特功能特性的材料可以替代大型復雜電路，大地提高電子設備的可擴展性和能效。例如，使用電壓應用誘導電阻開關的材料，可以在僅由幾個元件組成的電路中模擬突觸可塑性和不同的神經(jīng)元尖峰行為。相比之下，傳統(tǒng)互補金屬氧化物半導體（CMOS）則需要數(shù)十個晶體管來實現(xiàn)類似的功能。深入了解此類先進電子材料的物理特性及其對外部刺激的響應對于后續(xù)設計應用程序至關重要。迄今為止已有許多研究探索了基于離子電遷移的非易失性開關的特性，這在存儲器中具有廣闊的應用前景。
近期，人們對一種不同類型的電阻開關產(chǎn)生了大的興趣。該類型的電阻開關是由金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變的電觸發(fā)變化而產(chǎn)生的易失性開關，即改變材料電荷傳輸特性的本征相變（例如，莫特或佩爾斯轉(zhuǎn)變）。這種易失性切換是通過向金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變材料施加并保持電刺激而誘發(fā)的，并且在關閉刺激后，這種開關自動重置回初始狀態(tài)（因此稱為“易失性”）。基于金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變的開關通常伴隨著電阻率和光學特性的巨大變化，這使得其在射頻電子學、光電學和受生物啟發(fā)的人工神經(jīng)元中的應用具有吸引力。
近期，加利福尼亞大學圣地亞哥分校物理科學與先進科學中心的Pavel Salev，Ivan K. Schuller等利用無液氦低溫磁光克爾效應系統(tǒng)-CryoMOKE研究了基于La0.7Sr0.3MnO3（LSMO）薄膜器件中金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變電觸發(fā)的易失性電阻開關，從金屬到絕緣體，發(fā)生在一個相應的特征空間模式中，形成一個垂直于驅(qū)動電流的絕緣勢壘。這種勢壘的形成導致電流-電壓特性中出現(xiàn)不尋常的N型負微分電阻。作者進一步證明電誘導橫向勢壘能夠?qū)崿F(xiàn)電壓控制磁性的特方法。通過觸發(fā)磁性材料中的金屬-絕緣體電阻開關，使用施加到整個設備的全局電壓偏置實現(xiàn)鐵磁性的局部開/關控制。該成果以《Transverse barrier formation by electrical triggering of a metal-to-insulator transition》為題發(fā)表在Nature Communications.
圖1 金屬-絕緣體電阻開關的磁光成像 a.磁光測量示意圖，在器件區(qū)域的每個xy點處獲得MOKE磁滯回線。沿器件長度方向在平面內(nèi)施加磁場。在整個測量時間內(nèi)，電壓偏置保持不中斷。b. 同時記錄I–V曲線（中心）和MOKE xy成像圖（側(cè)面）。圖中的亮區(qū)對應于鐵磁LSMO。總視場為90×140μm2。在MOKE成像圖中，電流沿著水平方向。隨著I–V穿過負微分電阻，在器件中心出現(xiàn)橫向絕緣順磁勢壘，并隨著外加電壓的增加而不斷擴展。I–V圖中的插圖顯示了勢壘尺寸d，作為施加電壓的函數(shù)，V。c. 在24 V下的MOKE成像圖和對應于記錄的三個器件區(qū)域（使用羅馬數(shù)字標記）的局部磁滯回線。當器件兩側(cè)（區(qū)域I和III）顯示鐵磁響應時，中心（區(qū)域II）的MOKE信號為零。所有測量均在100 K下進行。
為解釋金屬-絕緣體電阻開關的潛在微觀機制，該工作的研究者利用金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變與磁躍遷同時發(fā)生的事實，對LSMO器件進行了操作成像。使用掃描磁光克爾效應（MOKE）顯微鏡（圖1a），繪制了施加電壓偏置時鐵磁區(qū)域的空間分布圖。測量過程使用5 μm大小的激光束記錄設備區(qū)域上每個點的MOKE磁滯回線，通過繪制MOKE回線量（即大克爾旋轉(zhuǎn)角）的xy圖來表示數(shù)據(jù)。在傳統(tǒng)的MOKE圖像中，對比度來源于不同磁化方向的區(qū)域。在這篇工作中，亮區(qū)對應于鐵磁性區(qū)域，而暗區(qū)表示沒有鐵磁性。
該研究發(fā)現(xiàn)金屬-絕緣轉(zhuǎn)換是通過在垂直于電流的方向上形成橫跨整個器件寬度的絕緣勢壘來實現(xiàn)的。圖1b顯示了不同電壓下的MOKE圖和相應的I–V曲線。該器件在15 V以下仍保持均勻的鐵磁（金屬）狀態(tài)，但施加更高的電壓會導致LSMO轉(zhuǎn)變?yōu)樾再|(zhì)不同的狀態(tài)。在16 V時，I–V曲線顯示出一個小的跳躍，同時在器件中心附近出現(xiàn)一個~5 μm寬的無磁性疇。磁疇橫跨整個器件寬度，其尺寸隨著外加電壓的增加而增大，直到電壓升至48 V時覆蓋整個器件（圖1b中I–V圖中的插圖）。
值得注意的是，本工作中低溫下的磁光克爾測試使用了DMO和Montana公司聯(lián)合研發(fā)的低溫磁光克爾效應系統(tǒng)- CryoMOKE，該設備可以實現(xiàn)在4~350K范圍的高靈敏度磁滯回線及磁疇成像測試，Montana提供了超低振動的無液氦低溫恒溫器，該恒溫器可以連接多種電學測試，可以在測量磁光克爾的同時在樣品上施加電流/電壓。
圖2 DMO和Montana公司聯(lián)合研發(fā)的CryoMOKE
NanoMOKE3主要技術(shù)特點：
? 溫度范圍：4~350K
? 振動：小于5nm
? 縱向/向磁光克爾
? 縱向磁場：＞0.4T，向磁場＞0.3T
? 高靈敏度磁滯回線測試及磁疇成像
CryoMOKE國內(nèi)客戶：
參考文獻：
[1] Pavel S, Ivan K. S,et al. Transverse barrier formation by electrical triggering of a metal-to-insulator transition. Nat. Commun.12,5499(2021)
相關產(chǎn)品：
1、磁光克爾效應系統(tǒng)-NanoMOKE3
