Stor tunnelmagnetoresistens vises ved stuetemperatur i en miniaturiseret magnetisk tunnelforbindelse

Magnetiske tunnelforbindelser (MTJ'er), som består af to ferromagneter adskilt af et ikke-magnetisk barrieremateriale, findes i en lang række teknologier, herunder magnetiske tilfældige hukommelser i computerharddiske samt magnetiske sensorer, logiske enheder og elektroder i spintronic enheder. De har dog en stor ulempe, som er, at de ikke fungerer godt, når de miniaturiseres til under 20 nm. Forskere i Kina har nu skubbet denne grænse ved at udvikle en van der Waals MTJ baseret på et halvledende wolframdiselenid (WSe)₂) afstandslag mindre end 10 nm tykt, klemt mellem to ferromagnetiske jern gallium tellurid (Fe₃Port₂) elektroder. Den nye enhed har også en stor tunnelmagnetoresistens (TMR) ved 300 K, hvilket gør den velegnet til hukommelsesapplikationer.

"Så stor en TMR i ultratynde MTJ'er ved stuetemperatur er aldrig blevet rapporteret før i alle-todimensionelle van der Waals (vdW) MTJ'er," siger Kaiyou Wang, der leder Statens nøglelaboratorium for supergitter og mikrostrukturer i Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing og er også tilknyttet Center for Materialevidenskab og Optoelektronik ved University of Chinese Academy of Sciences. "Vores arbejde åbner en realistisk og lovende rute for næste generation af ikke-flygtige spintroniske hukommelser ud over den nuværende state of the art."

Stuetemperatur ferromagnetisme

Wang, der ledede det nye apparats udvikling sammen med Haixin Chang af State Key Laboratory of Material Processing and Die & Mold Technology ved Huazhong University of Science and Technology og Wuhan National High Magnetic Field Center, tilskriver dens store TMR to funktioner. Den første er Fes iboende egenskaber₃Port₂, som er ferromagnetisk over stuetemperaturer. "Vi har undersøgt magnetoresistensen af ​​en række van der Waals ferromagnet/halvlederforbindelser i en del år, hvor Curie-temperaturen (temperaturen, over hvilken en permanent magnet mister sin magnetisme) af ferromagneten er langt under stuetemperatur," han noter. "Vi fandt ud af, at stor magnetoresistens og effektiv spin-injektion kun kan opnås i ikke-lineær transportadfærd af ferromagnet/halvlederforbindelser."

I modsætning til de materialer, Wang og kolleger undersøgte tidligere, har Fe₃Port₂ (som holdet opdagede relativt for nylig) har en Curie-temperatur på mere end 380 K. Dens magnetiske anisotropi er også sammenlignelig med (eller endda bedre end) den for CoFeB, en ferrimagnet, der er meget udbredt i spintronik. (I modsætning til ferromagneter, hvor tilstødende magnetiske momenter er parallelle med hinanden, er momenterne i ferrimagneter antiparallelle, men ulige i størrelse, hvilket giver en resterende spontan magnetisme.) Det er vigtigt, at Fe₃Port₂ og CoFeB har begge stærkt polariserede Fermi-overflader (grænsen mellem optaget og ubesat elektronenergitilstand, der definerer mange af egenskaberne ved metaller og halvledere), hvilket for CoFeB har betydet, at store spin-polariserede elektronkilder, der opererer ved stuetemperatur, kan fremstilles af det .

Et bedre spacer- og enhedsdesign

Den anden faktor i den nye enheds succes, siger Wang, er den høje kvalitet af WSe₂ barriere. "Vi opdagede, at ved at bruge Fe₃Port₂ i sig selv er ikke nok, og at vi kun kunne opnå en lille magnetoresistens ved stuetemperatur (på omkring 0.3%) i én type all-vdW spin-ventiler ved hjælp af en MoS₂ spacer,” forklarer han. "Vi indså, at vi havde brug for et meget bedre spacer- og enhedsdesign, der muliggjorde højeffektiv elektrontunnelering."

Ferrimagneter fremskynder racerbanehukommelsen

Wang siger, at holdets arbejde bekræfter, at meget store TMR'er kan opnås ved stuetemperatur i alle-vdW-heterostrukturer, hvilket han beskriver som et afgørende skridt hen imod 2D-spintronics-applikationer. "Ud over det kan den højeffektive spin-injektion i halvledere give os mulighed for at undersøge halvlederspin-fysik og udvikle nyt koncept for halvlederspintroniske enheder," siger han.

Ansporet af deres resultater har forskerne nu travlt med at justere tykkelsen af ​​afstandslaget i et forsøg på at øge TMR yderligere. En lovende vej, de udforsker, er at bruge den brede båndgab-halvleder galliumarsenid (GaSe) eller isolatoren hexagonal bornitrid (hBN) som et spacer-materiale.

De beskriver deres nuværende undersøgelse i Kinesiske fysik bogstaver.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/large-tunnel-magnetoresistance-appears-at-room-temperature-in-a-miniaturized-magnetic-tunnel-junction/