Большое туннельное магнитосопротивление появляется при комнатной температуре в миниатюрном магнитном туннельном переходе.

Магнитные туннельные переходы (MTJ), которые состоят из двух ферромагнетиков, разделенных немагнитным барьерным материалом, используются во множестве технологий, включая магнитные запоминающие устройства с произвольным доступом в жестких дисках компьютеров, а также магнитные датчики, логические устройства и электроды. в устройствах спинтроники. Однако у них есть существенный недостаток, заключающийся в том, что они плохо работают при миниатюризации до размера менее 20 нм. Исследователи в Китае раздвинули этот предел, разработав ван-дер-ваальсов MTJ на основе полупроводникового диселенида вольфрама (WSe₂) разделительный слой толщиной менее 10 нм, зажатый между двумя ферромагнитными теллуридами железа и галлия (Fe₃Ворота₂) электроды. Новое устройство также имеет большое туннельное магнитосопротивление (TMR) при температуре 300 К, что делает его пригодным для приложений памяти.

«О таком большом TMR в ультратонких MTJ при комнатной температуре никогда ранее не сообщалось для полностью двумерных ван-дер-ваальсовых (vdW) MTJ», — говорит Кайю Ван, который руководит Государственная ключевая лаборатория сверхрешеток и микроструктур Института полупроводников Китайской академии наук, Пекин а также связан с Центр материаловедения и оптоэлектроники Университета Китайской академии наук. «Наша работа открывает реалистичный и многообещающий путь для энергонезависимой спинтронной памяти следующего поколения, выходящий за рамки современного уровня техники».

Ферромагнетизм при комнатной температуре

Ван, руководивший разработкой нового устройства вместе с Хайсин Чанг Ключевая государственная лаборатория обработки материалов и технологии штампов и пресс-форм Хуачжунского университета науки и технологий и Уханьский национальный центр сильного магнитного поля, приписывает свой большой TMR двум особенностям. Во-первых, это внутренние свойства Fe.₃Ворота₂, который является ферромагнитным при температуре выше комнатной. «В течение нескольких лет мы исследовали магнитосопротивление ряда ван-дер-ваальсовых переходов ферромагнетик/полупроводник, в которых температура Кюри (температура, выше которой постоянный магнит теряет свой магнетизм) ферромагнетика намного ниже комнатной температуры», — сказал он. примечания. «Мы обнаружили, что большое магнитосопротивление и эффективная спиновая инжекция могут быть достигнуты только при нелинейном транспортном поведении переходов ферромагнетик/полупроводник».

В отличие от материалов, которые Ван и его коллеги исследовали ранее, Fe₃Ворота₂ (который команда обнаружила относительно недавно) имеет температуру Кюри более 380 К. Его магнитная анизотропия также сравнима (или даже лучше) с анизотропией CoFeB, ферримагнетика, широко используемого в спинтронике. (В отличие от ферромагнетиков, у которых соседние магнитные моменты параллельны друг другу, в ферримагнетиках моменты антипараллельны, но неравны по величине, что приводит к остаточному спонтанному магнетизму.) Важно отметить, что Fe₃Ворота₂ и CoFeB имеют сильно поляризованные поверхности Ферми (граница между энергетическими состояниями занятых и незанятых электронов, которая определяет многие свойства металлов и полупроводников), что для CoFeB означает, что из него можно сделать большие спин-поляризованные источники электронов, работающие при комнатной температуре. .

Улучшенная прокладка и дизайн устройства

Вторым фактором успеха нового устройства, по словам Вана, является высокое качество WSe.₂ барьер. «Мы обнаружили, что использование Fe₃Ворота₂ самого по себе недостаточно, и что мы могли бы достичь небольшого магнитосопротивления при комнатной температуре (около 0.3%) только в одном типе спиновых клапанов, полностью выполненных из ВДВ, с использованием MoS.₂ распорка», — объясняет он. «Мы поняли, что нам нужна гораздо лучшая конструкция спейсера и устройства, позволяющая осуществлять высокоэффективное туннелирование электронов».

Ферримагнетики ускоряют воспоминания о гоночных трассах

Ван говорит, что работа группы подтверждает, что очень большие TMR могут быть достигнуты при комнатной температуре в гетероструктурах, полностью состоящих из VdW, что он описывает как важный шаг на пути к приложениям 2D-спинтроники. «Помимо этого, высокоэффективная спиновая инжекция в полупроводники может позволить нам исследовать физику спинов полупроводников и разрабатывать новые концептуальные устройства полупроводниковой спинтроники», — говорит он.

Вдохновленные своими результатами, исследователи сейчас заняты регулировкой толщины промежуточного слоя, пытаясь еще больше увеличить TMR. Одно из многообещающих направлений, которое они изучают, заключается в использовании широкозонного полупроводника арсенида галлия (GaSe) или изоляционного гексагонального нитрида бора (hBN) в качестве прокладочного материала.

Они подробно излагают свое настоящее исследование в Письма о китайской физике.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• Платоблокчейн. Интеллект метавселенной Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/large-tunnel-magnetoresistance-appears-at-room-temperature-in-a-miniaturized-magnetic-tunnel-junction/