Ein großer Tunnelmagnetowiderstand tritt bei Raumtemperatur in einem miniaturisierten magnetischen Tunnelübergang auf

Magnetische Tunnelkontakte (MTJs), die aus zwei Ferromagneten bestehen, die durch ein nichtmagnetisches Sperrmaterial getrennt sind, finden sich in einer Vielzahl von Technologien, darunter magnetische Direktzugriffsspeicher in Computerfestplatten sowie magnetische Sensoren, Logikbausteine ​​und Elektroden in spintronischen Geräten. Sie haben jedoch einen großen Nachteil, nämlich dass sie nicht gut funktionieren, wenn sie auf unter 20 nm miniaturisiert werden. Forscher in China haben diese Grenze nun durch die Entwicklung eines Van-der-Waals-MTJ auf Basis eines halbleitenden Wolframdiselenids (WSe₂) Abstandsschicht von weniger als 10 nm Dicke, eingebettet zwischen zwei ferromagnetischen Eisen-Gallium-Tellurid (Fe₃Tor₂) Elektroden. Das neue Bauteil hat auch einen großen Tunnelmagnetowiderstand (TMR) bei 300 K, wodurch es für Speicheranwendungen geeignet ist.

„Eine so große TMR in ultradünnen MTJs bei Raumtemperatur wurde noch nie zuvor in vollständig zweidimensionalen Van-der-Waals-MTJs (vdW) berichtet“, sagt er Kaiyou Wang, der die leitet State Key Laboratory for Superlattices and Microstructures im Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing und ist auch mit der verbunden Zentrum für Materialwissenschaften und Optoelektronik an der Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. „Unsere Arbeit eröffnet einen realistischen und vielversprechenden Weg für nichtflüchtige spintronische Speicher der nächsten Generation jenseits des aktuellen Stands der Technik.“

Ferromagnetismus bei Raumtemperatur

Wang, der die Entwicklung des neuen Geräts gemeinsam mit leitete Haixin Chang dauert ebenfalls 3 Jahre. Das erste Jahr ist das sog. State Key Laboratory of Material Processing and Die & Mold Technology an der Huazhong University of Science and Technology und dem Nationales Zentrum für hohe Magnetfelder in Wuhan, führt seine große TMR auf zwei Merkmale zurück. Das erste sind die intrinsischen Eigenschaften von Fe₃Tor₂, das oberhalb Raumtemperatur ferromagnetisch ist. „Wir haben den Magnetowiderstand einer Reihe von Van-der-Waals-Ferromagnet/Halbleiter-Übergängen über einige Jahre hinweg untersucht, bei denen die Curie-Temperatur (die Temperatur, über der ein Permanentmagnet seinen Magnetismus verliert) des Ferromagneten weit unter der Raumtemperatur liegt“, er Anmerkungen. „Wir haben festgestellt, dass ein großer Magnetowiderstand und eine effiziente Spin-Injektion nur im nichtlinearen Transportverhalten von Ferromagnet/Halbleiter-Übergängen erreicht werden können.“

Im Gegensatz zu den zuvor von Wang und Kollegen untersuchten Materialien ist Fe₃Tor₂ (das das Team vor relativ kurzer Zeit entdeckte) hat eine Curie-Temperatur von mehr als 380 K. Seine magnetische Anisotropie ist auch vergleichbar (oder sogar besser als) die von CoFeB, einem in der Spintronik weit verbreiteten Ferrimagneten. (Anders als bei Ferromagneten, bei denen benachbarte magnetische Momente parallel zueinander sind, sind die Momente bei Ferrimagneten antiparallel, aber ungleich groß, was zu einem spontanen Restmagnetismus führt.) Wichtig ist, Fe₃Tor₂ und CoFeB haben beide stark polarisierte Fermi-Oberflächen (die Grenze zwischen besetzten und unbesetzten Elektronenenergiezuständen, die viele Eigenschaften von Metallen und Halbleitern definiert), was für CoFeB bedeutet, dass große spinpolarisierte Elektronenquellen, die bei Raumtemperatur arbeiten, daraus hergestellt werden können .

Ein besseres Abstandshalter- und Gerätedesign

Der zweite Faktor für den Erfolg des neuen Geräts ist laut Wang die hohe Qualität des WSe₂ Barriere. „Wir haben festgestellt, dass die Verwendung von Fe₃Tor₂ allein nicht ausreicht und dass wir nur einen kleinen Magnetowiderstand bei Raumtemperatur (von etwa 0.3%) in einem Typ von All-VdW-Spinventilen mit einem MoS erreichen konnten₂ Abstandshalter“, erklärt er. „Wir erkannten, dass wir ein viel besseres Abstandshalter- und Gerätedesign benötigten, das ein hocheffizientes Elektronentunneln ermöglichte.“

Ferrimagnete beschleunigen Rennstrecken-Erinnerungen

Laut Wang bestätigt die Arbeit des Teams, dass sehr große TMRs bei Raumtemperatur in All-vdW-Heterostrukturen erreicht werden können, was er als einen entscheidenden Schritt in Richtung 2D-Spintronik-Anwendungen beschreibt. „Darüber hinaus könnte uns die hocheffiziente Spininjektion in Halbleiter ermöglichen, die Spinphysik von Halbleitern zu untersuchen und neue Konzepte von Halbleiter-Spintronikgeräten zu entwickeln“, sagt er.

Angespornt durch ihre Ergebnisse sind die Forscher nun damit beschäftigt, die Dicke der Abstandsschicht anzupassen, um den TMR weiter zu erhöhen. Ein vielversprechender Weg, den sie erforschen, ist die Verwendung des Breitbandlückenhalbleiters Galliumarsenid (GaSe) oder des Isolators hexagonales Bornitrid (hBN) als Abstandshaltermaterial.

Sie beschreiben ihre aktuelle Studie in Chinesische Physikbriefe.

• SEO-gestützte Content- und PR-Distribution. Holen Sie sich noch heute Verstärkung.
• Platoblockkette. Web3-Metaverse-Intelligenz. Wissen verstärkt. Hier zugreifen.
• Quelle: https://physicsworld.com/a/large-tunnel-magnetoresistance-appears-at-room-temperature-in-a-miniaturized-magnetic-tunnel-junction/