紧凑型脉冲激光沉积系统实现原位极化中子反射技术对CoFeB/Mo薄膜垂直磁各向异性的动态观测

为解决磁性薄膜界面垂直磁各向异性(PMA)形成机制的动态监测难题，俄罗斯研究团队开发了集成脉冲激光沉积(PLD)与原位极化中子反射(PNR)的紧凑系统。通过生长Mo/[CoFeB/Mo]12多层膜和CoFeB/Mo双层膜，首次实现沉积过程中磁结构演变的实时追踪，证实5 ? Mo覆盖层可诱导PMA形成，为自旋电子器件开发提供新方法。

　　

在自旋电子器件研发的浪潮中，钴铁硼(CoFeB)与重金属(HM)构成的纳米薄膜因其独特的垂直磁各向异性(PMA)特性备受关注。这种能让磁化方向垂直于薄膜表面的性质，是磁随机存储器(MRAM)和自旋轨道转矩(SOT)器件的核心基础。然而，传统研究手段如振动样品磁强计(VSM)和X射线磁圆二色性(XMCD)存在致命缺陷——它们要么无法捕捉原子级界面的动态变化，要么受限于表面敏感特性难以探测深层磁结构。更棘手的是，PMA的形成往往依赖于厚度仅几个原子层的重金属覆盖层，这种极端精细的结构对传统"生长后检测"模式提出了巨大挑战。

针对这一技术瓶颈，来自俄罗斯的研究团队在《Vacuum》发表突破性成果。他们将脉冲激光沉积(PLD)系统微型化后直接集成到法国劳厄-朗之万研究所(ILL)的SuperADAM中子反射仪中，创造了世界上首个能同步完成薄膜沉积与原位极化中子反射(PNR)测量的实验平台。这项技术的核心优势在于：中子束既能穿透整个薄膜堆叠探测深层磁结构，又能通过极化分析区分核散射与磁散射信号，从而实现对每个沉积周期后界面磁性的动态追踪。

研究团队采用三项关键技术：紧凑型PLD真空腔体设计（可置于磁体间隙）、旋转样品台（提升薄膜均匀性）、原位PNR测量系统（波长λ=5.2 ?，极化率P₀=99.6%）。通过生长Mo/[CoFeB/Mo]₁₂周期性结构和单层CoFeB+5 ? Mo覆盖层两种样本，在0.01-0.75 T磁场下进行实时监测。

均匀性与化学计量控制
旋转样品台使20×20 mm²基片上薄膜厚度差异<5%，X射线荧光证实CoFeB成分偏差<2%。

多层结构磁演化
PNR数据显示[CoFeB/Mo]₁₂堆叠中每个周期均出现界面磁化增强，0.75 T磁场下磁散射长度密度显著提升，暗示周期性界面可能孕育PMA。

超薄Mo层的关键作用
450°C退火后的CoFeB沉积5 ?（约3原子层）Mo后，磁滞回线显示面内磁化强度增加300%，直接证实超薄重金属覆盖层可诱导PMA转变。

这项研究首次实现PLD与PNR的技术联姻，其意义远超实验方法学创新：通过揭示CoFeB/Mo界面在原子尺度上的磁性耦合规律，为设计下一代自旋电子器件提供了精确的"生长-性能"对应关系。特别值得注意的是，该系统无需保护性覆盖层即可在超高真空环境中完成全过程研究，这为探索更多易氧化材料的本征界面特性打开了新窗口。正如作者强调的，这种模块化设计可直接移植到其他大科学装置，有望成为量子材料研究的标准范式。