Överföringsfunktioner av ett evanescent tillstånd över tunnelbarriären som en funktion av spinn och det totala beräknade TMR-förhållandet för fem lager av h-BN över bandgapet. Kredit:Tohoku University
Tohoku Universitys Center for Innovative Integrated Electronic Systems (CIES) har arbetat i samarbete med University of Cambridge under kärn-till-kärna-projektet (PL:Prof. Endoh). JSPS har aviserat en analys med tvådimensionella (2D) material (hexagonal bornitrid; h-BN) som en tunnelbarriär för ferromagnetiska tunnelkorsningar (MTJ), som kan förvänta sig ett tunnelmagnetoresistansförhållande (TMR) på upp till 1, 000 % och gränssnitt vinkelrät magnetisk anisotropi (IPMA).
De senaste MTJ:erna i en MRAM-enhet som består av tre lager av CoFeB/MgO/CoFeB och den har praktiskt taget använts med nyckelfunktionerna för Δ 1 koherent tunnling och gränssnitt vinkelrät magnetisk anisotropi (IPMA). Δ 1 koherent tunnling ökar MTJ:s höga effekt och vridmomentomkopplingseffektivitet. IPMA bidrar till tillförlitligheten av datalagring i över 10 år. Professorerna John Robertson och Hiroshi Naganuma förklarar, "Vi beräknade den vinkelräta ledningen och IPMA för 2D-material genom att överväga den framtida integrationen av 2D-material och MTJ." En framtid föreställs där ledning i planet/vinkelrät är sammansatt av 2D-material genom att integrera transistorer och MTJ:er med den höga rörligheten i planet hos 2D-material och den elektriska fälteffekten.
Det internationella samarbetsteamet upptäckte att det relativa positionsförhållandet mellan atomerna i Co och N förbättrar IPMA på grund av hybridiseringen av orbital vid gränssnittet mellan 2D-materialet (h-BN) och den ferromagnetiska metallen (Co, Fe). Vi förutspådde ett tunnelmagnetoresitans (TMR) förhållande på upp till 1, 000 % visas i en ferromagnetisk tunnelövergång (MTJ) som använder h-BN som en tunnelbarriär. "Svag och flexibel" kemisk bindning av van der Waals kraft ger frihet att designa i ferromagnetiska tunnelövergångar. Som ett resultat, förväntningar på integrerade hybridkretsar som kombinerar ledning i planet/vinkelrät genom att utnyttja den höga rörligheten i planet hos 2D-material och tunnelledning i riktningen vinkelrät mot planet.
Hybridisering av N pz-omloppsbanan och Co dz2-omloppsbanan för de översta Co-lagren, för N-on-top-tillstånd. Kredit:Tohoku University
Resultaten publicerades online i augusti som redaktörens val i Tillämpad fysik recensioner .
Figur 1 visar transmissionsfunktionen och det totala beräknade TMR-förhållandet för fem lager av h-BN och Co. Det har visat sig att TMR-förhållandet är högst på ett relativt långt interatomärt avstånd förutsatt att det översta lagret av Co och h-BN-lagret är fysiskt adsorberade, och ett TMR-förhållande upp till 1, 000% kan teoretiskt erhållas. Tidningen rapporterar också om förhållandet mellan olika atompositioner och TMR-förhållandet, och det visade sig att det relativa atomarrangemangsförhållandet har en stor effekt på TMR-förhållandet som man fann med grafenfallet. Därför, för att få ett högt TMR-förhållande, det är nödvändigt att kontrollera det atomära positionsförhållandet med hjälp av avancerad kristalltillväxtteknologi.
Teamet beräknade tre typer av atomära positionsförhållanden när de ställde in gränssnittet för Co och h-BN och undersökte IPMA. Figur 2 visar energifasdiagrammet när Co placeras direkt på N. Man fann att IPMA induceras av orbital hybridisering av h-BN och Co. I denna orbitalhybridisering, orbitalen mellan dz 2 omloppsbana för Co-skiktet och N p z orbital i h-BN är blandade, och den tomma downspin Co d z2 tillståndet skiftar uppåt (och N p z tillstånd skiftar nedåt). Som visat, det stabiliserar det fyllda N p z ytskiktets tillstånd och inducerar IPMA. Från beräkningen i figur 2, interaktionen när N placeras direkt ovanför Co förskjuter det tomma PDOS-downspin-bandet i Co-lagret uppåt med +1 eV, vilket resulterar i hybridisering. Detta betyder att det sker en ömsesidig nedåtgående förskjutning av de ockuperande bindningstillstånden för N p z , ökar därmed beläggningsgarantin och ger IPMA.
Sammanfattningsvis, det visade sig att h-BN inducerar IPMA med ett högt TMR-förhållande, och den svaga kemiska kopplingen baserad på van der Waals kraft ger oss frihet i valet av ferromagnetiska material, vilket är fördelaktigt i design i MTJ stapling. Vidare, forskning om transistorer som använder hög mobilitet i planet utvecklas i 2D-material, och förtydligandet av dess användbarhet vid tunnelledningskonduktans genom denna forskning är en betydande prestation som kommer att bidra till utvecklingen av integrerade 2D-enheter i framtiden.
