AI计算领域必看：离子辐照技术为何引领MRAM和斯格明子研究？

离子辐照在MRAM研究领域的应用今年1月，三星电子在顶级学术期刊 Nature 上发表了全球首个基于 MRAM（磁性随机存储器）的存内计算研究。存内计算由于毋需数据在存储器和处理器间移动，大大降低了 AI 计算的功耗，被视作边缘 AI 计算的一项前沿研究。三星电子的研究团队通过构建新的 MRAM 阵列结构，用基于 28 nm CMOS 工艺的 MRAM 阵列芯片运行了手写数字识别和人脸检测等 AI 算法，准确率分别为 98% 和 93%。研究人员表示，MRAM 芯片应用于 in-memory computing（内存内计算）电脑，十分适合进行神经网络运算等，因为这种计算架构与大脑神经元网络较为相似。

MRAM 器件在操作速度、耐用性和量产等方面具有优势，但其较低的电阻使 MRAM 存储器在传统的存内计算架构中无法达到低功耗要求。在本篇论文中，三星电子的研究人员构建了一种基于 MRAM 的新存内计算架构，填补了这一空白，这是MRAM研究的又一新突破。

近期，国内的众多课题组也在MRAM研究上取得了许多重量级的工作。例如北航的赵巍胜课题组在2020年发表在APL上的——具有垂直各向异性的氦离子辐照W-CoFeB-MgO Hall bars中的自旋轨道矩(SOT)驱动的多层转换一文中，运用了独特的氦离子辐照技术对W(4 nm)/CoFeB (0.6 nm)/MgO (2 nm)/Ta (3 nm)多层膜进行了结构的调控，通过对调控前后以及过程中磁学和电学性质变化的研究，表明这种使用离子辐照调控多层电阻的方法在实现神经形态和记忆电阻器件领域显示出巨大的潜力。

图中Kerr 图像显示了 SOT 诱导的磁化转换过程中Hall bars电流的增加，白色虚线表示纵向电流线和横向电压线。红色方框对应于氦离子辐照区域。（ii） 和 （iv） 中的黄色箭头代表畴壁运动的方向。

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离子辐照在斯格明子研究领域的应用

离子辐照除了在MRAM研究领域小试牛刀外，在斯格明子的研究中也令人眼前一亮。

法国自旋电子中心(SPINTEC) 和法国Spin-Ion公司合作发表在NanoLetters上的一篇文章，题目为：氦离子辐照让磁性斯格明子“走上正轨”。文中指出，氦离子辐照可被用于在“赛道上”“创造”和“引导”斯格明子，文章证明了氦离子辐照带来的垂直磁各向异性和DMI的变小，可导致稳定的孤立斯格明子的形成。

图中红色轨道尺寸为6000×150 nm²，间距为300 nm，用氦离子辐照的区域。

图中显示了氦离子辐照的红色轨道区域不同磁场下的MFM图像。

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离子辐照磁性精细调控系统

以上两篇文章采用的离子辐照设备来自法国Spin-Ion公司。法国Spin-Ion公司于2017年成立，源自法国国家研究中心/巴黎-萨克雷大学的知名课题组。Spin-Ion公司采用Ravelosona博士的创新技术，在磁性材料的离子束工艺方面有20年的经验，拥有4项专利和40多篇发表文章。Spin-Ion公司推出的产品——可用于多种磁性研究的离子辐照磁性精细调控系统Helium-S^®，可通过紧凑和快速的氦离子束设备精确控制原子间的位移。该设备使用特有的离子束技术在原子尺度上加工材料，可通过离子束工艺来调控薄膜和异质结构。目前全球已有20多家科研和工业的用户以及合作伙伴使用该技术。2020年Spin-Ion公司在中国也已安装了第一套系统，Helium-S®独有的技术能力正吸引来自相关科研圈和工业领域越来越多的关注。

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产品主要应用领域

• 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，多铁性材料等

• 其他：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。

• 可提供能量范围为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毫米的试样进行快速的均匀辐照（如几分钟）

• 超紧凑的设计，节省实验空间

• 也与现有的超高真空设备互联

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

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用户单位

已经购买该设备的国内外用户单位：

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)

Beihang University (China)

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]. Nature 601, 211-216（2022）

[2]. Appl. Phys. Lett 116, 242401 (2020)

[3]. Nano Lett. 2021 Apr 14;21(7):2989-2996

微信号：QuantumDesign

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