Tohoku University's Center for Innovative Integrated Electronic Systems (CIES) heeft samengewerkt met de University of Cambridge in het kader van het core-to-core project (PL:Prof. Endoh). JSPS heeft een analyse aangekondigd met behulp van tweedimensionale (2D) materialen (hexagonaal boornitride; h-BN) als tunnelbarrière voor ferromagnetische tunnelovergangen (MTJ), die een tunnelmagnetoweerstand (TMR) -verhouding van maximaal 1 kan verwachten 000% en grensvlak loodrechte magnetische anisotropie (IPMA).

De ultramoderne MTJ's in een MRAM-apparaat bestaande uit drie lagen CoFeB/MgO/CoFeB en het is praktisch gebruikt met de belangrijkste functies van Δ ₁ coherente tunneling en grensvlak loodrechte magnetische anisotropie (IPMA). Δ ₁ coherente tunneling verhoogt de hoge output van de MTJ en de efficiëntie van de koppelschakeling bij spinoverdracht. IPMA draagt ​​bij aan de betrouwbaarheid van het bewaren van gegevens voor meer dan 10 jaar. Professoren John Robertson en Hiroshi Naganuma leggen uit:"We hebben de loodrechte geleiding en IPMA van 2D-materialen berekend door rekening te houden met de toekomstige integratie van 2D-materialen en MTJ's." Er wordt een toekomst voorzien waarin in-plane / loodrechte geleiding is samengesteld uit 2D-materialen door transistors en MTJ's te integreren met de hoge in-plane mobiliteit van 2D-materialen en het elektrische veldeffect.

Het internationale samenwerkingsteam ontdekte dat de relatieve positionele relatie tussen de atomen van Co en N de IPMA verbetert vanwege de hybridisatie van orbitaal op het grensvlak tussen het 2D-materiaal (h-BN) en het ferromagnetische metaal (Co, Fe). We voorspelden een tunnelmagnetoweerstand (TMR) -ratio van maximaal 1, 000% verschijnt in een ferromagnetische tunnelovergang (MTJ) met h-BN als tunnelbarrière. "Zwakke en flexibele" chemische binding door van der Waals-kracht geeft vrijheid om te ontwerpen in ferromagnetische tunnelovergangen. Als resultaat, verwachtingen voor hybride geïntegreerde schakelingen die geleiding in het vlak/loodrecht combineren door gebruik te maken van de hoge mobiliteit in het vlak van 2D-materialen en tunnelgeleiding in de richting loodrecht op het vlak.

De resultaten werden in augustus online gepubliceerd als de keuze van de redactie in Technische Natuurkunde Beoordelingen .

Figuur 1 toont de transmissiefunctie en de totale berekende TMR-verhouding voor vijf lagen h-BN en Co. Gebleken is dat de TMR-verhouding het hoogst is op een relatief lange interatomaire afstand, aangenomen dat de bovenste laag van Co en de h-BN-laag worden fysiek geadsorbeerd, en een TMR-ratio tot 1, 000% kan theoretisch worden verkregen. Het artikel rapporteert ook over de relatie tussen verschillende atomaire posities en de TMR-ratio, en er werd gevonden dat de relatieve atomaire rangschikkingsrelatie een groot effect heeft op de TMR-verhouding zoals werd gevonden met het grafeengeval. Daarom, om een ​​hoge TMR-ratio te verkrijgen, het is noodzakelijk om de atomaire positionele relatie te beheersen met behulp van geavanceerde kristalgroeitechnologie.

Het team berekende drie soorten atomaire positionele relaties bij het instellen van het grensvlak van Co en h-BN en onderzocht de IPMA. Figuur 2 toont het energiefasediagram wanneer Co direct op N wordt geplaatst. Er werd gevonden dat IPMA wordt geïnduceerd door orbitale hybridisatie van h-BN en Co. In deze orbitale hybridisatie, de orbitaal tussen de dz ₂ orbitaal van de Co-laag en de N p _z orbitaal in h-BN zijn gemengd, en de lege downspin Co d _z2 toestand verschuift naar boven (en de N p _z staat verschuift naar beneden). Zoals getoond, het stabiliseert de gevulde N p _z toestand van de oppervlaktelaag en induceert IPMA. Uit de berekening in figuur 2, de interactie wanneer N direct boven Co wordt geplaatst, verschuift de lege PDOS-downspin-band van de Co-laag omhoog met +1 eV, resulterend in hybridisatie. Dit betekent dat er een wederzijdse neerwaartse verschuiving is van de bezettende bindingstoestanden van N p _z , waardoor de bezettingsgraad wordt verhoogd en IPMA wordt verschaft.

Samengevat, er werd gevonden dat h-BN IPMA induceert met een hoge TMR-ratio, en de zwakke chemische koppeling op basis van van der Waals-kracht geeft ons vrijheid bij de selectie van ferromagnetische materialen, wat voordelig is qua ontwerp bij MTJ-stapelen. Verder, het onderzoek van transistors met behulp van hoge mobiliteit in het vlak wordt ontwikkeld in de 2D-materialen, en de verduidelijking van het nut ervan bij tunnelgeleiding door dit onderzoek is een belangrijke prestatie die in de toekomst zal bijdragen aan de ontwikkeling van geïntegreerde 2D-apparaten.