Een onderzoeksteam onder leiding van Pham Nam Hai van de afdeling Electrical and Electronic Engineering, Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) heeft 's werelds best presterende pure spinstroombron ontwikkeld, gemaakt van bismut-antimoon (BiSb) legeringen, die zij rapporteren als de beste kandidaat voor de eerste industriële toepassing van topologische isolatoren. De prestatie betekent een grote stap voorwaarts in de ontwikkeling van magneto-resistieve random-access memory (SOT-MRAM) apparaten met draai-orbit-koppel, die de potentie hebben om bestaande geheugentechnologieën te vervangen.

Het team heeft dunne films van BiSb ontwikkeld voor een topologische isolator die tegelijkertijd een kolossaal spin-Hall-effect en een hoge elektrische geleidbaarheid bereikt. hun studie, gepubliceerd in Natuurmaterialen , zou de ontwikkeling van high-density, ultralaag vermogen, en ultrasnelle niet-vluchtige geheugens voor Internet of Things (IoT) en andere toepassingen worden nu steeds meer gevraagd voor industrieel en thuisgebruik.

De dunne BiSb-films bereiken een spin Hall-hoek van ongeveer 52, geleidbaarheid van 2,5 x 10 ⁵ en spin Hall geleidbaarheid van 1,3 × 10 ⁷ op kamertemperatuur. (Zie Tabel 1 voor een prestatieoverzicht, inclusief alle eenheden.) Met name de spin Hall geleidbaarheid is twee ordes van grootte groter dan die van bismutselenide (Bi ₂ Se ₃ ), gemeld in Natuur in 2014.

SOT-MRAM een haalbare keuze maken

Tot nu, de zoektocht naar geschikte spin Hall-materialen voor SOT-MRAM-apparaten van de volgende generatie heeft problemen opgeleverd:ten eerste, zware metalen zoals platina, tantaal en wolfraam hebben een hoge elektrische geleidbaarheid maar een klein spin-hall-effect. Tweede, topologische isolatoren die tot nu toe zijn onderzocht, hebben een groot spin Hall-effect maar een lage elektrische geleidbaarheid.

De BiSb dunne films voldoen bij kamertemperatuur aan beide eisen. Dit verhoogt de reële mogelijkheid dat op BiSb gebaseerde SOT-MRAM beter zou kunnen presteren dan de bestaande spin-transfer torque (STT) MRAM-technologie.

"Omdat SOT-MRAM één orde van grootte sneller kan worden geschakeld dan STT-MRAM, de schakelenergie kan worden verminderd met ten minste twee ordes van grootte, "zegt Pham. "Ook, de schrijfsnelheid kon 20 keer worden verhoogd en de bitdichtheid met een factor tien worden verhoogd."

De levensvatbaarheid van dergelijke energiezuinige SOT-MRAM's is onlangs aangetoond in experimenten, zij het met behulp van zware metalen, uitgevoerd door IMEC, de internationale R&D- en innovatiehub met hoofdzetel in Leuven, België.

Indien succesvol opgeschaald, Op BiSb gebaseerde SOT-MRAM kan drastisch verbeteren ten opzichte van zijn op heavy metal gebaseerde tegenhangers en zelfs concurrerend worden met dynamisch willekeurig toegankelijk geheugen (DRAM), de dominante technologie van vandaag.

Een aantrekkelijke, over het hoofd gezien materiaal

BiSb wordt door de onderzoeksgemeenschap vaak over het hoofd gezien vanwege de kleine bandafstand en complexe oppervlaktetoestanden. Echter, Pham zegt:"Vanuit een elektrotechnisch perspectief, BiSb is zeer aantrekkelijk door zijn hoge dragermobiliteit, waardoor het gemakkelijker wordt om een ​​stroom in het materiaal te drijven."

"We wisten dat BiSb veel topologische oppervlaktetoestanden heeft, wat betekent dat we een veel sterker spin Hall-effect kunnen verwachten. Daarom zijn we ongeveer twee jaar geleden begonnen met het bestuderen van deze stof."

De dunne films werden gekweekt met behulp van een zeer nauwkeurige methode die moleculaire bundelepitaxie (MBE) wordt genoemd. De onderzoekers ontdekten een bepaalde oppervlakteoriëntatie genaamd BiSb(012), waarvan wordt gedacht dat het een sleutelfactor is achter het grote spin Hall-effect. Pham wijst erop dat het aantal Dirac-kegels[6]0 op het BiSb(012)-oppervlak een andere belangrijke factor is, die zijn team nu onderzoekt.

Uitdagingen die komen

Pham werkt momenteel samen met de industrie om op BiSb gebaseerde SOT-MRAM te testen en op te schalen.

"De eerste stap is om de maakbaarheid aan te tonen, "zegt hij. "We willen laten zien dat het nog steeds mogelijk is om een ​​sterk spin Hall-effect te bereiken, zelfs wanneer BiSb-dunne films worden vervaardigd met behulp van industrievriendelijke technologieën zoals de sputtermethode."

"Het is meer dan tien jaar geleden sinds de opkomst van topologische isolatoren, maar het was niet duidelijk of die materialen bij kamertemperatuur in realistische apparaten konden worden gebruikt. Ons onderzoek brengt topologische isolatoren naar een nieuw niveau, waar ze een grote belofte inhouden voor SOT-MRAM met ultralaag vermogen."