Une grande magnétorésistance tunnel apparaît à température ambiante dans une jonction tunnel magnétique miniaturisée

Les jonctions tunnel magnétiques (MTJ), qui consistent en deux ferromagnétiques séparés par un matériau de barrière non magnétique, se retrouvent dans une foule de technologies, y compris les mémoires magnétiques à accès aléatoire dans les disques durs des ordinateurs ainsi que les capteurs magnétiques, les dispositifs logiques et les électrodes. dans les dispositifs spintroniques. Ils ont cependant un inconvénient majeur, à savoir qu'ils ne fonctionnent pas bien lorsqu'ils sont miniaturisés en dessous de 20 nm. Des chercheurs en Chine ont maintenant repoussé cette limite en développant un van der Waals MTJ basé sur un diséléniure de tungstène semi-conducteur (WSe₂) couche d'espacement de moins de 10 nm d'épaisseur, prise en sandwich entre deux tellurures ferromagnétiques de fer et de gallium (Fe₃Porte₂) électrodes. Le nouveau dispositif dispose également d'une grande magnétorésistance tunnel (TMR) à 300 K, ce qui le rend adapté aux applications de mémoire.

"Une TMR aussi importante dans les MTJ ultra-minces à température ambiante n'a jamais été signalée auparavant dans les MTJ bidimensionnels de van der Waals (vdW)", déclare Kaiyou Wang, qui dirige le Laboratoire clé d'État pour les super-réseaux et les microstructures à l'Institut des semi-conducteurs, Académie chinoise des sciences, Pékin et est également affilié à la Centre de science des matériaux et de génie optoélectronique à l'Université de l'Académie chinoise des sciences. "Notre travail ouvre une voie réaliste et prometteuse pour les mémoires spintroniques non volatiles de nouvelle génération au-delà de l'état actuel de la technique."

Ferromagnétisme à température ambiante

Wang, qui a dirigé le développement du nouvel appareil avec Haixin Chang des Laboratoire clé d'État du traitement des matériaux et de la technologie des matrices et des moules à l'Université des sciences et technologies de Huazhong et par Centre national de champ magnétique élevé de Wuhan, attribue sa grande TMR à deux caractéristiques. Le premier est les propriétés intrinsèques de Fe₃Porte₂, qui est ferromagnétique au-dessus des températures ambiantes. "Nous avons étudié la magnétorésistance d'un certain nombre de jonctions ferromagnétiques / semi-conducteurs de van der Waals pendant plusieurs années au cours desquelles la température de Curie (la température au-dessus de laquelle un aimant permanent perd son magnétisme) du ferromagnétique est bien inférieure à la température ambiante", a-t-il déclaré. Remarques. "Nous avons découvert qu'une magnétorésistance élevée et une injection de spin efficace ne peuvent être obtenues que dans le comportement de transport non linéaire des jonctions ferromagnétiques / semi-conducteurs."

Contrairement aux matériaux que Wang et ses collègues ont étudiés précédemment, Fe₃Porte₂ (que l'équipe a découvert relativement récemment) a une température de Curie de plus de 380 K. Son anisotropie magnétique est également comparable (voire meilleure) à celle de CoFeB, un ferrimagnétique largement utilisé en spintronique. (Contrairement aux ferromagnétiques, où les moments magnétiques voisins sont parallèles les uns aux autres, dans les ferrimagnétiques, les moments sont antiparallèles mais inégaux en amplitude, produisant un magnétisme spontané résiduel.) Surtout, Fe₃Porte₂ et CoFeB ont tous deux des surfaces de Fermi hautement polarisées (la frontière entre les états d'énergie des électrons occupés et inoccupés qui définit de nombreuses propriétés des métaux et des semi-conducteurs), ce qui pour CoFeB signifie que de grandes sources d'électrons polarisés en spin fonctionnant à température ambiante peuvent en être faites. .

Une meilleure conception de l'entretoise et de l'appareil

Le deuxième facteur du succès du nouvel appareil, dit Wang, est la haute qualité du WSe₂ barrière. "Nous avons découvert qu'en utilisant Fe₃Porte₂ à lui seul ne suffit pas et que nous ne pouvions obtenir qu'une petite magnétorésistance à température ambiante (d'environ 0.3 %) dans un type de vannes de spin entièrement vdW en utilisant un MoS₂ espaceur », explique-t-il. "Nous avons réalisé que nous avions besoin d'un espaceur et d'une conception de dispositif bien meilleurs qui permettaient un effet tunnel d'électrons très efficace."

Les ferrimaimants accélèrent les souvenirs des circuits

Selon Wang, les travaux de l'équipe confirment que de très grandes TMR peuvent être obtenues à température ambiante dans des hétérostructures entièrement vdW, ce qu'il décrit comme une étape cruciale vers les applications de spintronique 2D. "Au-delà de cela, l'injection de spin hautement efficace dans les semi-conducteurs pourrait nous permettre d'étudier la physique du spin des semi-conducteurs et de développer de nouveaux concepts de dispositifs spintroniques à semi-conducteurs", a-t-il déclaré.

Forts de leurs résultats, les chercheurs s'affairent maintenant à ajuster l'épaisseur de la couche d'espacement pour tenter d'augmenter encore la TMR. Une voie prometteuse qu'ils explorent consiste à utiliser l'arséniure de gallium semi-conducteur à large bande interdite (GaSe) ou le nitrure de bore hexagonal isolant (hBN) comme matériau d'espacement.

Ils détaillent leur étude actuelle dans Lettres de physique chinoise.

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• La source: https://physicsworld.com/a/large-tunnel-magnetoresistance-appears-at-room-temperature-in-a-miniaturized-magnetic-tunnel-junction/