Stor tunnelmagnetoresistans uppträder vid rumstemperatur i en miniatyriserad magnetisk tunnelövergång

Magnetic tunnel junctions (MTJs), som består av två ferromagneter åtskilda av ett icke-magnetiskt barriärmaterial, finns i en mängd tekniker, inklusive magnetiska slumpmässiga minnen i hårddiskar samt magnetiska sensorer, logiska enheter och elektroder i spintroniska enheter. De har dock en stor nackdel, som är att de inte fungerar bra när de är miniatyriserade till under 20 nm. Forskare i Kina har nu flyttat denna gräns genom att utveckla en van der Waals MTJ baserad på en halvledande volframdiselenid (WSe)₂) distansskikt mindre än 10 nm tjockt, inklämt mellan två ferromagnetiska järn galliumtellurid (Fe₃Port₂) elektroder. Den nya enheten har också en stor tunnelmagnetoresistans (TMR) vid 300 K, vilket gör den lämplig för minnesapplikationer.

"En så stor TMR i ultratunna MTJ vid rumstemperatur har aldrig tidigare rapporterats i alla tvådimensionella van der Waals (vdW) MTJ", säger Kaiyou Wang, som leder State Key Laboratory for Superlattices and Microstructures i Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Peking och är också ansluten till Centrum för materialvetenskap och optoelektronik vid University of Chinese Academy of Sciences. "Vårt arbete öppnar en realistisk och lovande väg för nästa generations icke-flyktiga spintroniska minnen bortom den nuvarande tekniken."

Rumstemperatur ferromagnetism

Wang, som ledde den nya enhetens utveckling tillsammans med Haixin Chang av State Key Laboratory of Material Processing and Die & Mold Technology vid Huazhong University of Science and Technology och Wuhan National High Magnetic Field Center, tillskriver sin stora TMR till två funktioner. Den första är Fes inneboende egenskaper₃Port₂, vilket är ferromagnetiskt över rumstemperaturer. "Vi har undersökt magnetoresistansen hos ett antal van der Waals ferromagnet/halvledarövergångar under ganska många år där Curie-temperaturen (temperaturen över vilken en permanentmagnet förlorar sin magnetism) hos ferromagneten är långt under rumstemperaturen," han anteckningar. "Vi fann att stor magnetresistans och effektiv spinninjektion endast kan uppnås i olinjärt transportbeteende för ferromagnet/halvledarövergångar."

I motsats till de material som Wang och kollegor undersökte tidigare, har Fe₃Port₂ (vilket teamet upptäckte relativt nyligen) har en Curie-temperatur på mer än 380 K. Dess magnetiska anisotropi är också jämförbar med (eller till och med bättre än) den för CoFeB, en ferrimagnet som används i stor utsträckning inom spintronik. (Till skillnad från ferromagneter, där närliggande magnetiska moment är parallella med varandra, i ferrimagneter är momenten antiparallella men olika i storlek, vilket ger en återstående spontan magnetism.) Viktigt är att Fe₃Port₂ och CoFeB har båda högpolariserade Fermi-ytor (gränsen mellan ockuperade och lediga elektronenergitillstånd som definierar många egenskaper hos metaller och halvledare), vilket för CoFeB har inneburit att stora spinnpolariserade elektronkällor som arbetar vid rumstemperatur kan tillverkas av det .

En bättre spacer och enhetsdesign

Den andra faktorn i den nya enhetens framgång, säger Wang, är den höga kvaliteten på WSe₂ barriär. "Vi upptäckte att med Fe₃Port₂ i sig räcker inte och att vi bara skulle kunna uppnå en liten magnetoresistens i rumstemperatur (omkring 0.3 %) i en typ av vdW-spinnventiler med en MoS₂ spacer”, förklarar han. "Vi insåg att vi behövde en mycket bättre distans- och enhetsdesign som möjliggjorde högeffektiv elektrontunnel."

Ferrimagneter påskyndar minnen på racerbanan

Wang säger att teamets arbete bekräftar att mycket stora TMR:er kan uppnås vid rumstemperatur i all-vdW heterostrukturer, vilket han beskriver som ett avgörande steg mot 2D spintronics-applikationer. "Utöver det kan den mycket effektiva spinninjektionen i halvledare tillåta oss att undersöka halvledarspinnfysik och utveckla nya koncept för halvledarspintroniska enheter", säger han.

Påskyndade av sina resultat är forskarna nu upptagna med att justera tjockleken på distansskiktet i ett försök att ytterligare öka TMR. En lovande väg de utforskar är att använda halvledaren galliumarsenid (GaSe) med breda bandgap eller isolatorn hexagonal bornitrid (hBN) som ett distansmaterial.

De beskriver sin nuvarande studie i Kinesiska fysikbokstäver.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/large-tunnel-magnetoresistance-appears-at-room-temperature-in-a-miniaturized-magnetic-tunnel-junction/