Grande magnetorresistência de túnel aparece à temperatura ambiente em uma junção de túnel magnética miniaturizada

As junções de túnel magnético (MTJs), que consistem em dois ferromagnetos separados por um material de barreira não magnética, são encontradas em uma série de tecnologias, incluindo memórias magnéticas de acesso aleatório em unidades de disco rígido de computador, bem como sensores magnéticos, dispositivos lógicos e eletrodos em dispositivos spintrônicos. Eles têm uma grande desvantagem, porém, que é que eles não funcionam bem quando miniaturizados para menos de 20 nm. Pesquisadores na China agora ultrapassaram esse limite desenvolvendo um van der Waals MTJ baseado em um disseleneto de tungstênio semicondutor (WSe₂) camada espaçadora com menos de 10 nm de espessura, imprensada entre dois ferromagnéticos telureto de gálio (Fe₃Portão₂) eletrodos. O novo dispositivo também possui uma grande magnetorresistência de túnel (TMR) a 300 K, tornando-o adequado para aplicações de memória.

“Um TMR tão grande em MTJs ultrafinos à temperatura ambiente nunca foi relatado antes em MTJs van der Waals (vdW) totalmente bidimensionais”, diz Kaiyou Wang, que dirige o Laboratório Estatal Chave para Superredes e Microestruturas no Instituto de Semicondutores, Academia Chinesa de Ciências, Pequim e também é afiliado ao Centro de Ciência de Materiais e Engenharia Optoeletrônica da Universidade da Academia Chinesa de Ciências. “Nosso trabalho abre uma rota realista e promissora para memórias spintrônicas não voláteis de próxima geração além do atual estado da arte”.

Ferromagnetismo à temperatura ambiente

Wang, que liderou o desenvolvimento do novo dispositivo junto com Haixin Chang da Laboratório chave estadual de processamento de materiais e tecnologia de matrizes e moldes na Universidade de Ciência e Tecnologia de Huazhong e os votos de Centro Nacional de Alto Campo Magnético de Wuhan, atribui seu grande TMR a dois recursos. A primeira são as propriedades intrínsecas do Fe₃Portão₂, que é ferromagnético acima da temperatura ambiente. “Investigamos a magnetorresistência de várias junções de ferroímã/semicondutor de van der Waals por alguns anos em que a temperatura Curie (a temperatura acima da qual um ímã permanente perde seu magnetismo) do ferroímã está muito abaixo da temperatura ambiente”, ele notas. “Descobrimos que grande magnetorresistência e injeção de spin eficiente só podem ser alcançadas no comportamento de transporte não linear de junções ferroímãs/semicondutoras”.

Em contraste com os materiais que Wang e colegas investigaram anteriormente, o Fe₃Portão₂ (que a equipe descobriu há relativamente pouco tempo) tem uma temperatura Curie de mais de 380 K. Sua anisotropia magnética também é comparável (ou até melhor) à do CoFeB, um ferrimagneto amplamente empregado na spintrônica. (Ao contrário dos ferromagnetos, onde os momentos magnéticos vizinhos são paralelos entre si, nos ferrimagnetos os momentos são antiparalelos, mas desiguais em magnitude, produzindo um magnetismo espontâneo residual.) Importante, Fe₃Portão₂ e CoFeB ambos têm superfícies de Fermi altamente polarizadas (o limite entre os estados de energia de elétrons ocupados e desocupados que definem muitas das propriedades de metais e semicondutores), o que para CoFeB significa que grandes fontes de elétrons polarizados operando em temperatura ambiente podem ser feitas a partir dele .

Um melhor espaçador e design do dispositivo

O segundo fator para o sucesso do novo dispositivo, diz Wang, é a alta qualidade do WSe₂ barreira. “Descobrimos que usando Fe₃Portão₂ por si só não é suficiente e que só poderíamos alcançar uma pequena magnetorresistência à temperatura ambiente (de cerca de 0.3%) em um tipo de válvulas giratórias totalmente vdW usando um MoS₂ espaçador”, explica. “Percebemos que precisávamos de um espaçador muito melhor e de um design de dispositivo que permitisse um tunelamento de elétrons altamente eficiente.”

Ferrimagnets aceleram as memórias das pistas de corrida

Wang diz que o trabalho da equipe confirma que TMRs muito grandes podem ser alcançados à temperatura ambiente em heteroestruturas totalmente vdW, que ele descreve como um passo crucial para aplicações de spintrônica 2D. “Além disso, a injeção de spin altamente eficiente em semicondutores pode nos permitir investigar a física do spin do semicondutor e desenvolver novos dispositivos semicondutores spintrônicos”, diz ele.

Estimulados por seus resultados, os pesquisadores agora estão ocupados ajustando a espessura da camada espaçadora em uma tentativa de aumentar ainda mais o TMR. Um caminho promissor que eles estão explorando é usar o arseneto de gálio semicondutor de banda larga (GaSe) ou o nitreto de boro hexagonal isolante (hBN) como material espaçador.

Eles detalham seu presente estudo em Letras de Física Chinesa.

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