Traditionella minnesenheter är flyktiga och de nuvarande icke-flyktiga är beroende av antingen ferromagnetiska eller ferroelektriska material för datalagring. I ferromagnetiska enheter skrivs eller lagras data genom att justera magnetiska moment, medan i ferroelektriska enheter är datalagring beroende av inriktningen av elektriska dipoler.
Men att generera och manipulera magnetfält är energikrävande, och i ferroelektriska minnesenheter förstör läsning av data det polariserade tillståndet, vilket kräver att minnescellen skriver om.
Multiferroiska material, som innehåller både ferroelektriska och ferromagnetiska beställningar, erbjuder en lovande lösning för mer effektiv och mångsidig minnesteknik. Kobolt-substituerad BiFeO3 (BiFe0,9 Co0.1 O3 , BFCO) är ett multiferroiskt material som uppvisar stark magnetoelektrisk koppling, vilket innebär att förändringar i elektrisk polarisation påverkar magnetiseringen.
Som ett resultat kan data skrivas med hjälp av elektriska fält, vilket är mer energieffektivt än att generera magnetiska fält, och läsas med hjälp av magnetfält, vilket undviker den destruktiva avläsningsprocessen.
Som en betydande milstolpe för multiferroiska minnesenheter har ett team av forskare ledda av professor Masaki Azuma och biträdande professor Kei Shigematsu från Tokyo Institute of Technology i Japan framgångsrikt utvecklat nanodots med enskilda ferroelektriska och ferromagnetiska domäner.
"På Sumitomo Chemical Next-Generation Eco-Friendly Devices Collaborative Research Cluster inom Institutet för Innovativ Forskning vid Tokyo Institute of Technology, finns fokus på multiferroiska material som uppvisar korskorrelationssvar mellan magnetiska och elektriska egenskaper baserat på principerna om starkt korrelerade elektronsystem.
"Centret syftar till att utveckla material och processer för nästa generations lågeffekts icke-flyktiga magnetiska minnesenheter, samt att genomföra tillförlitlighetsbedömningar och social implementering", säger Azuma.
I deras studie publicerad i tidskriften ACS Applied Materials &Interfaces den 9 april 2024 använde forskare pulsad laseravsättning för att deponera multiferroisk BFCO på en ledande Nb:SrTiO3 (001) substrat. De kontrollerade avsättningsprocessen genom att använda anodiserade aluminiumoxid-masker (AAO) med justerbara porstorlekar, vilket resulterade i nanoprickar med diametrar på 60 nm och 190 nm.
BFCO är ett lovande alternativ för lågeffekts, icke-flyktiga magnetiska minnesenheter eftersom dess magnetiseringsriktning kan vändas med ett elektriskt fält. När forskarna observerade polarisations- och magnetiseringsriktningarna med hjälp av piezoresponskraftmikroskopi respektive magnetisk kraftmikroskopi, fann forskarna att nanodotterna uppvisar korrelerade ferroelektriska och ferromagnetiska domänstrukturer.
Intressant nog, när de jämförde nanodots av olika storlekar, märkte de betydande skillnader. Den mindre 60-nm nanodoten, gjord med en oxalsyra AAO-mask, visade enstaka ferroelektriska och ferromagnetiska domäner, där polarisations- och magnetiseringsriktningarna är enhetliga genomgående.
Den större nanodoten på 190 nm, bildad med en malonsyra AAO-mask, hade dock flerdomänvirvel-ferroelektriska och magnetiska strukturer som indikerar stark magnetoelektrisk koppling.
"En sådan endomänstruktur av ferroelektricitet och ferromagnetism skulle vara en idealisk plattform för att undersöka BFCO som en elektrisk fältskrivande magnetisk utläsningsminne, och multidomänstrukturer erbjuder en lekplats för grundläggande forskning", säger Shigematsu.
Icke-flyktiga magnetiska minnesenheter är avgörande för olika elektroniska applikationer eftersom de behåller lagrad information även när strömmen stängs av. Med sin unika sammansättning av enskilda ferromagnetiska och ferroelektriska domäner visar BFCO 60-nm nanodots stor potential för att skapa magnetiska minnesenheter som kräver minimal elektrisk effekt för skriv- och läsoperationer.
Mer information: Keita Ozawa et al, Single or Vortex Ferroelectric and Ferromagnetic Domain Nanodot Array of Magnetoelectric BiFe0.9Co0.1O3, ACS Applied Materials &Interfaces (2024). DOI:10.1021/acsami.4c01232
Journalinformation: ACS-tillämpade material och gränssnitt
Tillhandahålls av Tokyo Institute of Technology
