Bord 1: θ SH :spin Hall vinkel, σ :konduktivitet, σ SH :spin Hall konduktivitet.
Siffrorna i den nedre raden är de som uppnåtts i föreliggande studie. Anmärkningsvärt, spin Hall konduktivitet, visas i den högra kolumnen, är två storleksordningar större än det tidigare rekordet. Kredit:Pham Nam Hai
En forskargrupp ledd av Pham Nam Hai vid institutionen för elektro- och elektronikteknik, Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) har utvecklat världens bäst presterande rena spinnströmkälla gjord av vismut-antimon (BiSb) legeringar, som de rapporterar som den bästa kandidaten för den första industriella tillämpningen av topologiska isolatorer. Framgången representerar ett stort steg framåt i utvecklingen av spin-orbit vridmoment magnetoresistive random-access memory (SOT-MRAM)-enheter med potential att ersätta befintliga minnesteknologier.
Teamet har utvecklat tunna filmer av BiSb för en topologisk isolator som samtidigt uppnår en kolossal spin Hall-effekt och hög elektrisk ledningsförmåga. Deras studie, publicerad i Naturmaterial , kan påskynda utvecklingen av högdensitet, ultralåg effekt, och ultrasnabba, icke-flyktiga minnen för Internet of Things (IoT) och andra applikationer som nu blir alltmer efterfrågade för industriell och hemmabruk.
BiSb tunna filmer uppnår en spin Hall-vinkel på cirka 52, ledningsförmåga på 2,5 x 10 5 och spin Hall konduktivitet på 1,3×10 7 vid rumstemperatur. (Se tabell 1 för en resultatöversikt, inklusive alla enheter.) Särskilt spin Hall-konduktiviteten är två storleksordningar större än den för vismutselenid (Bi 2 Se 3 ), redovisas i Natur under 2014.
Att göra SOT-MRAM till ett hållbart val
Tills nu, sökandet efter lämpliga spin Hall-material för nästa generations SOT-MRAM-enheter har skapat problem:Först, tungmetaller som platina, tantal och volfram har hög elektrisk ledningsförmåga men en liten spin Hall-effekt. Andra, topologiska isolatorer som hittills undersökts har en stor spin Hall-effekt men låg elektrisk ledningsförmåga.
BiSb tunna filmer uppfyller båda kraven vid rumstemperatur. Detta ökar den verkliga möjligheten att BiSb-baserad SOT-MRAM skulle kunna överträffa den befintliga spin-transfer torque (STT) MRAM-teknologin.
"Eftersom SOT-MRAM kan bytas en storleksordning snabbare än STT-MRAM, kopplingsenergin kan minskas med minst två storleksordningar, " säger Pham. "Också, skrivhastigheten kunde ökas 20 gånger och bittätheten ökas med en faktor tio."
Livskraften för sådana energieffektiva SOT-MRAMs har nyligen visats i experiment, även om man använder tungmetaller, utförd av IMEC, det internationella FoU- och innovationsnavet med huvudkontor i Leuven, Belgien.
Om skalas upp framgångsrikt, BiSb-baserade SOT-MRAM kan drastiskt förbättra sina tungmetallbaserade motsvarigheter och till och med bli konkurrenskraftig med dynamiskt direktminne (DRAM), dagens dominerande teknik.
En attraktiv, förbisett material
BiSb har tenderat att förbises av forskarvärlden på grund av dess lilla bandgap och komplexa yttillstånd. Dock, Pham säger:"Ur ett elektrotekniskt perspektiv, BiSb är mycket attraktiv på grund av sin höga mobilitet, vilket gör det lättare att driva en ström i materialet."
"Vi visste att BiSb har många topologiska yttillstånd, vilket betyder att vi kan förvänta oss en mycket starkare spin Hall-effekt. Det var därför vi började studera det här materialet för ungefär två år sedan."
De tunna filmerna odlades med en högprecisionsmetod som kallas molekylär strålepitaxi (MBE). Forskarna upptäckte en speciell ytorientering som heter BiSb(012), vilket anses vara en nyckelfaktor bakom den stora spinn Hall-effekten. Pham påpekar att antalet Dirac-koner[6]0 på BiSb(012)-ytan är en annan viktig faktor, som hans team nu undersöker.
Utmaningar framöver
Pham samarbetar för närvarande med industrin för att testa och skala upp BiSb-baserade SOT-MRAM.
"Det första steget är att demonstrera tillverkningsbarhet, " säger han. "Vi strävar efter att visa att det fortfarande är möjligt att uppnå en stark spin Hall-effekt, även när BiSb-tunna filmer tillverkas med hjälp av industrivänlig teknik som sputtermetoden."
"Det har gått över tio år sedan uppkomsten av topologiska isolatorer, men det var inte klart om dessa material kunde användas i realistiska enheter vid rumstemperatur. Vår forskning tar topologiska isolatorer till en ny nivå, där de lovar mycket för ultralåg effekt SOT-MRAM."
