As funções de transmissão de um estado evanescente através da barreira do túnel em função do spin e da razão TMR geral calculada para cinco camadas de h-BN através do bandgap. Crédito:Tohoku University
O Centro de Sistemas Eletrônicos Integrados Inovadores (CIES) da Universidade de Tohoku tem trabalhado em colaboração com a Universidade de Cambridge no âmbito do projeto core-to-core (PL:Prof. Endoh). JSPS anunciou uma análise usando materiais bidimensionais (2D) (nitreto de boro hexagonal; h-BN) como uma barreira de túnel para junções de túnel ferromagnéticas (MTJ), que pode esperar uma razão de magnetorresistência de túnel (TMR) de até 1, 000% e anisotropia magnética perpendicular interfacial (IPMA).
Os MTJs de última geração em um dispositivo MRAM compreendendo três camadas de CoFeB / MgO / CoFeB e tem sido praticamente usado com as funções-chave de Δ 1 tunelamento coerente e anisotropia magnética perpendicular interfacial (IPMA). Δ 1 o tunelamento coerente aumenta a alta saída do MTJ e a eficiência de comutação de torque de transferência de rotação. O IPMA contribui para a confiabilidade da retenção de dados por mais de 10 anos. Os professores John Robertson e Hiroshi Naganuma explicam, "Calculamos a condução perpendicular e o IPMA de materiais 2D considerando a futura integração de materiais 2D e MTJs." Um futuro é imaginado no qual a condução no plano / perpendicular é composta de materiais 2D, integrando transistores e MTJs com a alta mobilidade no plano dos materiais 2D e o efeito de campo elétrico.
A equipe de colaboração internacional descobriu que a relação posicional relativa entre os átomos de Co e N aumenta o IPMA devido à hibridização do orbital na interface entre o material 2D (h-BN) e o metal ferromagnético (Co, Fe). Previmos uma razão de magnetorresistência de túnel (TMR) de até 1, 000% aparece em uma junção de túnel ferromagnético (MTJ) usando h-BN como uma barreira de túnel. A ligação química "fraca e flexível" pela força de van der Waals dá liberdade para projetar em junções de túnel ferromagnético. Como resultado, expectativas para circuitos integrados híbridos que combinam condução no plano / perpendicular, utilizando a alta mobilidade no plano de materiais 2D e condução em túnel na direção perpendicular ao plano.
Hibridização do orbital N pz e do orbital Co dz2 das camadas superiores de Co, para o estado N no topo. Crédito:Tohoku University
Os resultados foram publicados online em agosto, por escolha do editor em Avaliações de Física Aplicada .
A Figura 1 mostra a função de transmissão e a razão TMR geral calculada para cinco camadas de h-BN e Co. Foi descoberto que a razão TMR é mais alta a uma distância interatômica relativamente longa, assumindo que a camada superior de Co e a camada h-BN são fisicamente adsorvidos, e uma relação TMR de até 1, 000% pode ser obtido teoricamente. O artigo também relata a relação entre as várias posições atômicas e a relação TMR, e foi descoberto que a relação de arranjo atômico relativo tem um grande efeito na razão TMR como foi encontrado com o caso do grafeno. Portanto, para obter uma alta taxa de TMR, é necessário controlar a relação posicional atômica usando tecnologia avançada de crescimento de cristal.
A equipe calculou três tipos de relações posicionais atômicas ao definir a interface de Co e h-BN e investigou o IPMA. A Figura 2 mostra o diagrama de fase de energia quando Co é colocado diretamente em N. Verificou-se que IPMA é induzido por hibridização orbital de h-BN e Co. Nesta hibridização orbital, o orbital entre o dz 2 orbital da camada de Co e do N p z orbitais em h-BN são misturados, e o vazio para baixo Co d z2 estado muda para cima (e o N p z estado muda para baixo). Como mostrado, estabiliza o N p preenchido z estado da camada superficial e induz IPMA. A partir do cálculo na Figura 2, a interação quando N é colocado diretamente acima de Co desloca a banda PDOS vazia da camada de Co para cima em +1 eV, resultando em hibridização. Isso significa que há um deslocamento mútuo para baixo dos estados de ligação ocupantes de N p z , aumentando assim o vínculo de ocupação e fornecendo IPMA.
Resumindo, verificou-se que h-BN induz IPMA com um alto índice de TMR, e o acoplamento químico fraco com base na força de van der Waals nos dá liberdade na seleção de materiais ferromagnéticos, o que é vantajoso no design de empilhamento MTJ. Além disso, a pesquisa de transistores usando alta mobilidade no plano está sendo desenvolvida nos materiais 2D, e o esclarecimento de sua utilidade na condutância de tunelamento por meio desta pesquisa é uma conquista significativa que contribuirá para o desenvolvimento de dispositivos 2D integrados no futuro.
