La magnetoresistenza a tunnel di grandi dimensioni appare a temperatura ambiente in una giunzione tunnel magnetica miniaturizzata

Le giunzioni tunnel magnetiche (MTJ), che consistono in due ferromagneti separati da un materiale barriera non magnetico, si trovano in una serie di tecnologie, comprese le memorie magnetiche ad accesso casuale nelle unità disco rigido dei computer, nonché sensori magnetici, dispositivi logici ed elettrodi nei dispositivi spintronici. Tuttavia, hanno un grosso svantaggio, ovvero che non funzionano bene quando sono miniaturizzati a meno di 20 nm. I ricercatori in Cina hanno ora spinto questo limite sviluppando un MTJ di van der Waals basato su un diseleniuro di tungsteno semiconduttore (WSe₂) strato distanziatore di spessore inferiore a 10 nm, inserito tra due tellururo di gallio ferromagnetico (Fe₃Cancello₂) elettrodi. Il nuovo dispositivo ha anche una grande magnetoresistenza a tunnel (TMR) a 300 K, che lo rende adatto per applicazioni di memoria.

"Un TMR così grande in MTJ ultrasottili a temperatura ambiente non è mai stato segnalato prima in MTJ van der Waals (vdW) completamente bidimensionali", afferma Kaiyou Wang, che dirige il Laboratorio statale chiave per superreticoli e microstrutture presso l'Istituto di semiconduttori, Accademia cinese delle scienze, Pechino ed è anche affiliato con il Centro di scienza dei materiali e ingegneria optoelettronica presso l'Università dell'Accademia cinese delle scienze. "Il nostro lavoro apre una strada realistica e promettente per le memorie spintroniche non volatili di prossima generazione oltre l'attuale stato dell'arte".

Ferromagnetismo a temperatura ambiente

Wang, che ha guidato lo sviluppo del nuovo dispositivo insieme a Haixin Chang della State Key Laboratory of Material Processing and Die & Mould Technology presso la Huazhong University of Science and Technology e la Centro nazionale ad alto campo magnetico di Wuhan, attribuisce la sua grande TMR a due caratteristiche. Il primo sono le proprietà intrinseche di Fe₃Cancello₂, che è ferromagnetico al di sopra della temperatura ambiente. "Abbiamo studiato la magnetoresistenza di una serie di giunzioni van der Waals ferromagnete/semiconduttore per parecchi anni in cui la temperatura di Curie (la temperatura al di sopra della quale un magnete permanente perde il suo magnetismo) del ferromagnete è molto al di sotto della temperatura ambiente", ha Appunti. "Abbiamo scoperto che una grande magnetoresistenza e un'iniezione di spin efficiente possono essere ottenute solo nel comportamento di trasporto non lineare delle giunzioni ferromagnete/semiconduttore".

In contrasto con i materiali che Wang e colleghi hanno indagato in precedenza, Fe₃Cancello₂ (che il team ha scoperto relativamente di recente) ha una temperatura di Curie superiore a 380 K. La sua anisotropia magnetica è anche paragonabile (o addirittura migliore) a quella del CoFeB, un ferrimagnete ampiamente impiegato nella spintronica. (A differenza dei ferromagneti, dove i momenti magnetici vicini sono paralleli tra loro, nei ferrimagneti i momenti sono antiparalleli ma di grandezza diversa, producendo un magnetismo spontaneo residuo.) È importante sottolineare che Fe₃Cancello₂ e CoFeB hanno entrambi superfici di Fermi altamente polarizzate (il confine tra gli stati di energia degli elettroni occupati e non occupati che definisce molte delle proprietà di metalli e semiconduttori), che per CoFeB ha significato che da esso possono essere ricavate grandi sorgenti di elettroni polarizzati in spin operanti a temperatura ambiente .

Un migliore design del distanziatore e del dispositivo

Il secondo fattore del successo del nuovo dispositivo, dice Wang, è l'alta qualità del WSe₂ barriera. “Abbiamo scoperto che usando Fe₃Cancello₂ da solo non è sufficiente e che potremmo ottenere solo una piccola magnetoresistenza a temperatura ambiente (di circa lo 0.3%) in un tipo di spin-valvole all-vdW utilizzando un MoS₂ distanziatore”, spiega. "Ci siamo resi conto che avevamo bisogno di un design del dispositivo e del distanziatore molto migliore che consentisse un tunneling elettronico altamente efficiente".

I ferrimagneti accelerano i ricordi della pista

Wang afferma che il lavoro del team conferma che è possibile ottenere TMR molto grandi a temperatura ambiente in tutte le eterostrutture vdW, che descrive come un passo cruciale verso le applicazioni di spintronica 2D. "Oltre a ciò, l'iniezione di spin altamente efficiente nei semiconduttori potrebbe consentirci di studiare la fisica dello spin dei semiconduttori e sviluppare dispositivi spintronici a semiconduttore di nuova concezione", afferma.

Spinti dai loro risultati, i ricercatori sono ora impegnati a regolare lo spessore dello strato distanziatore nel tentativo di aumentare ulteriormente il TMR. Una strada promettente che stanno esplorando è quella di utilizzare il semiconduttore arseniuro di gallio (GaSe) o il nitruro di boro esagonale isolante (hBN) come materiale distanziatore.

Dettagliano il loro presente studio in Lettere cinesi di fisica.

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