ความต้านทานสนามแม่เหล็กในอุโมงค์ขนาดใหญ่ปรากฏขึ้นที่อุณหภูมิห้องในชุมทางอุโมงค์แม่เหล็กขนาดจิ๋ว

ความต้านทานสนามแม่เหล็กในอุโมงค์ขนาดใหญ่ปรากฏขึ้นที่อุณหภูมิห้องในชุมทางอุโมงค์แม่เหล็กขนาดจิ๋ว

Time Stamp: 22 ธันวาคม 2022 5:00 น.
โหนดต้นทาง: 1780941

Van der Waals MTJ อิงจากชั้นสเปเซอร์ทังสเตนไดเซเลไนด์ของเซมิคอนดักเตอร์ที่มีความหนาน้อยกว่า 10 นาโนเมตร ประกบอยู่ระหว่างขั้วไฟฟ้าแกลเลียมเทลลูไรด์เหล็กเฟอร์โรแมกเนติกสองขั้ว
ได้รับ TMR อุณหภูมิห้องขนาดใหญ่ที่ 85% ใน vdW Fe ทั้งหมด3ประตู2/WSe2/ เฟ3ประตู2 MTJ (เอื้อเฟื้อโดย: K Wang)

ทางแยกอุโมงค์แม่เหล็ก (MTJ) ซึ่งประกอบด้วยเฟอร์โรแม่เหล็กสองตัวแยกจากกันด้วยวัสดุกั้นที่ไม่ใช่แม่เหล็ก พบได้ในเทคโนโลยีต่างๆ รวมถึงหน่วยความจำเข้าถึงโดยสุ่มทางแม่เหล็กในฮาร์ดดิสก์ไดรฟ์ของคอมพิวเตอร์ เช่นเดียวกับเซ็นเซอร์แม่เหล็ก อุปกรณ์ลอจิก และอิเล็กโทรด ในอุปกรณ์สปินโทรนิค พวกมันมีข้อเสียเปรียบที่สำคัญ นั่นคือพวกมันทำงานได้ไม่ดีเมื่อย่อขนาดให้ต่ำกว่า 20 นาโนเมตร ขณะนี้นักวิจัยในประเทศจีนได้ผลักดันขีดจำกัดนี้ด้วยการพัฒนา van der Waals MTJ โดยใช้ทังสเตนไดเซเลไนด์แบบเซมิคอนดักเตอร์ (WSe2) ชั้นตัวเว้นวรรคที่มีความหนาน้อยกว่า 10 นาโนเมตร ประกบอยู่ระหว่างแกลเลียมเทลลูไรด์ของเหล็กเฟอร์โรแมกเนติก XNUMX ชิ้น (Fe3ประตู2) อิเล็กโทรด อุปกรณ์ใหม่นี้ยังมีความต้านทานสนามแม่เหล็กในอุโมงค์ขนาดใหญ่ (TMR) ที่ 300 K ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานหน่วยความจำ

“TMR ขนาดใหญ่เช่นนี้ใน MTJ แบบบางเฉียบที่อุณหภูมิห้องไม่เคยมีการรายงานมาก่อนใน MTJ แบบ van der Waals (vdW) ทุกสองมิติ” กล่าว ไคโหยว หวังที่เป็นผู้กำกับ ห้องปฏิบัติการหลักของรัฐสำหรับซูเปอร์แลตติซและโครงสร้างจุลภาคในสถาบันเซมิคอนดักเตอร์, Chinese Academy of Sciences, ปักกิ่ง และยังอยู่ในเครือของ ศูนย์วัสดุศาสตร์และวิศวกรรมออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่มหาวิทยาลัย Chinese Academy of Sciences. “งานของเราเปิดเส้นทางที่สมจริงและมีแนวโน้มสำหรับความทรงจำแบบ Spintronic ที่ไม่ลบเลือนรุ่นต่อไป นอกเหนือจากความทันสมัยในปัจจุบัน”

แม่เหล็กไฟฟ้าที่อุณหภูมิห้อง

วังซึ่งเป็นผู้นำการพัฒนาอุปกรณ์รุ่นใหม่ร่วมกับ ไห่ซินฉาง ของ ห้องปฏิบัติการหลักของรัฐด้านการแปรรูปวัสดุและเทคโนโลยีแม่พิมพ์และแม่พิมพ์ที่มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี Huazhong และ ศูนย์สนามแม่เหล็กสูงแห่งชาติหวู่ฮั่น, ถือว่า TMR ขนาดใหญ่มีคุณลักษณะสองประการ ประการแรกคือคุณสมบัติที่แท้จริงของเฟ3ประตู2ซึ่งเป็นแม่เหล็กไฟฟ้าที่อยู่เหนืออุณหภูมิห้อง “เราได้ตรวจสอบความต้านทานสนามแม่เหล็กของจุดเชื่อมต่อเฟอร์โรแมกเน็ต/เซมิคอนดักเตอร์ของ van der Waals จำนวนหนึ่งเป็นเวลาหลายปี โดยที่อุณหภูมิของ Curie (อุณหภูมิที่สูงกว่าซึ่งแม่เหล็กถาวรสูญเสียความเป็นแม่เหล็ก) ของเฟอร์โรแมกเนติกนั้นต่ำกว่าอุณหภูมิห้องมาก” เขา บันทึกย่อ “เราพบว่าความต้านทานแม่เหล็กสูงและการฉีดสปินที่มีประสิทธิภาพสามารถทำได้เฉพาะในพฤติกรรมการขนส่งแบบไม่เชิงเส้นของจุดเชื่อมต่อเฟอร์ริกแม่เหล็ก/เซมิคอนดักเตอร์เท่านั้น”

ตรงกันข้ามกับวัสดุที่ Wang และเพื่อนร่วมงานตรวจสอบก่อนหน้านี้ Fe3ประตู2 (ซึ่งทีมงานค้นพบเมื่อไม่นานมานี้) มีอุณหภูมิกูรีมากกว่า 380 เคลวิน แอนไอโซโทรปีแม่เหล็กของมันเทียบได้กับ (หรือดีกว่า) ของ CoFeB ซึ่งเป็นเฟอร์ริแมกเน็ตที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในสปินทรอนิกส์ (ต่างจากเฟอร์ริกแม่เหล็กที่โมเมนต์แม่เหล็กข้างเคียงขนานกัน แต่โมเมนต์แม่เหล็กในเฟอร์ริแมกเนตนั้นต้านขนานกันแต่มีขนาดไม่เท่ากัน ส่งผลให้เกิดแรงแม่เหล็กที่เกิดขึ้นเองที่เหลืออยู่) ที่สำคัญ Fe3ประตู2 และ CoFeB ทั้งคู่มีพื้นผิว Fermi ที่มีโพลาไรซ์สูง (ขอบเขตระหว่างสถานะพลังงานอิเล็กตรอนที่ถูกครอบครองและว่างซึ่งกำหนดคุณสมบัติหลายประการของโลหะและเซมิคอนดักเตอร์) ซึ่งสำหรับ CoFeB หมายความว่าแหล่งกำเนิดอิเล็กตรอนแบบโพลาไรซ์แบบหมุนขนาดใหญ่ที่ทำงานที่อุณหภูมิห้องสามารถสร้างขึ้นจากมันได้ .

การออกแบบตัวเว้นวรรคและอุปกรณ์ที่ดีขึ้น

Wang กล่าวว่าปัจจัยที่สองในความสำเร็จของอุปกรณ์ใหม่คือคุณภาพของ WSe2 สิ่งกีดขวาง “เราค้นพบว่าการใช้ Fe3ประตู2 ด้วยตัวมันเองนั้นไม่เพียงพอ และเราสามารถบรรลุความต้านทานสนามแม่เหล็กที่อุณหภูมิห้องเพียงเล็กน้อย (ประมาณ 0.3%) ในสปินวาล์ว all-vdW ประเภทเดียวโดยใช้ MoS2 ตัวเว้นวรรค” เขาอธิบาย “เราตระหนักดีว่าเราต้องการตัวเว้นวรรคและอุปกรณ์ที่ดีกว่ามาก ซึ่งช่วยให้อุโมงค์อิเล็กตรอนมีประสิทธิภาพสูง”

Wang กล่าวว่างานของทีมยืนยันว่า TMR ที่มีขนาดใหญ่มากสามารถทำได้ที่อุณหภูมิห้องในโครงสร้างเฮเทอโรโครงสร้าง all-vdW ซึ่งเขาอธิบายว่าเป็นขั้นตอนสำคัญต่อการประยุกต์ใช้ spintronics 2D "นอกเหนือจากนั้น การฉีดสปินที่มีประสิทธิภาพสูงเข้าไปในเซมิคอนดักเตอร์ยังช่วยให้เราสามารถตรวจสอบฟิสิกส์การหมุนของเซมิคอนดักเตอร์ และพัฒนาอุปกรณ์สปินโทรนิกเซมิคอนดักเตอร์แนวคิดใหม่" เขากล่าว

จากผลการวิจัยของพวกเขา ขณะนี้นักวิจัยกำลังยุ่งอยู่กับการปรับความหนาของชั้นสเปเซอร์เพื่อพยายามเพิ่ม TMR ต่อไป แนวทางหนึ่งที่มีแนวโน้มว่าพวกเขากำลังสำรวจคือการใช้แกลเลียมอาร์เซไนด์เซมิคอนดักเตอร์แถบความถี่กว้าง (GaSe) หรือโบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม (hBN) ที่เป็นฉนวนเป็นวัสดุตัวเว้นระยะ

พวกเขาให้รายละเอียดการศึกษาปัจจุบันใน อักษรจีนฟิสิกส์.

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์