Advanced Science | DMD无掩膜光刻机助力打造高质量晶体磁性微径向结构

在传统平铺点阵结构中，简单的磁序配置通常表现为共线自旋排列，这主要受海森堡交换相互作用驱动。但随着微纳加工技术的飞速发展，能够打破空间反演对称性的低维弯曲几何结构引起了研究者的广泛关注。这种曲率效应与磁性材料中自发的破坏时间反演对称性相结合，可以诱导出如磁性涡旋、天线、斯格明子等非共线自旋纹理。这些复杂的磁结构在基础物理研究以及下一代高密度非易失性存储器和自旋电子器件开发中展现出巨大的应用潜力。目前研究人员已经探索了多种弯曲表面的磁构型，致力于利用几何设计来实现拓扑磁性和手性磁态，从而为新型电子材料的设计开辟了新的路径。

尽管该领域已取得诸多进展，但当前的研究仍面临严峻挑战，尤其是在高质量晶体弯曲结构中的径向磁性探索方面。在以往的大多数研究中，所使用的材料多为非晶态或多晶态，由于存在巨大的几何退磁场，薄膜的磁易轴通常倾向于面内方向，难以实现理想的径向分布。此外如何在弯曲过程中精确控制晶格应力并保持高度的结晶质量，也是构建高性能微结构器件的关键技术难题。

针对上述问题，由中国科学院物理研究所、中国科学院大学、清华大学以及松山湖材料实验室等机构组成的研究团队利用泽攸科技的DMD无掩膜光刻机进行了系统研究，团队通过利用SrTiO3/SrRuO3双层膜中各向异性的界面应力自组装技术，在具有高结晶质量的SrRuO3微型管道中实现了径向弯曲磁构型的精确制备与磁电输运机制研究。

研究团队利用脉冲激光沉积技术，在钛酸锶衬底上成功制备了具有高度结晶质量的钛酸锶与钌酸锶外延双层薄膜异质结构。该设计巧妙地引入了二十纳米厚度的钴酸锶作为牺牲层，通过调控外延层之间的晶格失配率，在薄膜内部预存了特定的界面应变能。通过精确选择衬底的晶体取向，研究人员实现了对应变分布的各向异性控制，从而为后续通过释放应变能来驱动薄膜自卷曲形成微米级管状结构奠定了物理基础。

图1 卷曲微结构的涉及与制备

在微纳加工的关键流程中，研究人员首先利用泽攸科技的DMD无掩膜光刻机对异质结薄膜进行毫米级的图形化定域，随后通过离子束刻蚀工艺精确定义出矩形或盘状的微观结构单元。当使用酸性溶液选择性地去除牺牲层后，预应变的外延双层膜会沿着特定的晶体轴向发生自发的卷曲行为，最终形成直径在亚微米至数十微米范围内可调的微型管道。这种制造工艺不仅保证了弯曲结构依然维持高的晶体质量，还通过应变辅助自组装手段克服了传统加工方式难以形成复杂三维几何形状的局限性。

图2 可控的卷曲微结构

实验通过超导量子干涉仪对微管阵列进行了详尽的磁学特性表征，结果证实钌酸锶薄膜在卷曲后表现出独特的径向磁构型。由于钌酸锶晶体本身具有强力的自旋轨道耦合及随之产生的磁晶各向异性，其磁易轴始终保持垂直于薄膜表面，在微管几何形状中则表现为磁矩沿径向连续转动。这种径向对称的旋转磁序在零场下展现出约百分之六十三点七的归一化剩余磁化强度，这一数值与理论模型预测高度吻合，有力地证明了研究团队成功构建了纯粹的径向曲面磁学系统。

图3 磁性钌酸锶（SRO）微型管道的宏观磁化测量

为了深入理解曲率对电子散射机制的影响，研究团队对单个微管进行了温度及角度依赖的磁电阻输运测量。通过将微管等效为无数条纵向排列的平铺薄膜条带，研究者建立了一个积分物理模型，成功模拟了微管整体电阻与局部磁矩分布之间的内在联系。研究发现，微管的各向异性磁电阻效应不仅与外部磁场有关，更深层次地反映了弯曲空间中格点旋转对称性的保持及其对电荷输运的调制作用。这一成果为设计基于三维曲面磁构型的新型自旋电子器件提供了关键的实验依据和理论支撑。

图4 薄膜与微型管道的电输运测量

泽攸科技ZML系列是基于DMD的无掩膜光刻机，以DMD替代传统掩模版，可快速灵活设计光刻图案，支持二维及8位灰度光刻，能满足任意微米量级光刻需求，广泛应用于MEMS、微流控等多个领域。

泽攸科技ZML系列DMD无掩膜光刻机

泽攸科技专注于扫描电子显微镜、原位测量系统、台阶仪、纳米位移台、光栅尺、探针台、电子束光刻机、二维材料转移台、超高真空组件及配件、压电物镜、等离子体化学气相沉积系统等精密设备的研究，满足国家在科学精密仪器领域的诸多空白。泽攸科技以自主知识产权的技术为核心，依托一支专业的研发与生产团队，经过二十多年的技术积累，在半导体加工设备和材料表征测量领域已属于国内头部。公司承担和参与了国家重点研发计划、国家重大科研装备研制项目等多个重量级科研项目，多次实现国内材料表征测量设备的“国产替代"，相关产品具有较好的国际声誉、产品检测数据被国际盛名期刊采纳。