Высокая плотность спинового тока в затворе

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 9234 (2023) Цитировать эту статью

Подробности о метриках

Использование двумерных (2D) материалов будет очень выгодно для многих разработчиков устройств спинтроники, обеспечивая превосходный метод управления вращением. Целью усилий являются технологии энергонезависимой памяти, в частности магнитные запоминающие устройства с произвольным доступом (MRAM), характеризующиеся двумерными материалами. Достаточно большая плотность спинового тока необходима для режима записи MRAM для переключения состояний. Самым большим препятствием, которое необходимо преодолеть, является достижение плотности спинового тока, превышающей критические значения около 5 МА/см2 в 2D-материалах при комнатной температуре. Здесь мы впервые теоретически предлагаем спиновый клапан на основе графеновых нанолент (GNR) для генерации огромной плотности спинового тока при комнатной температуре. Плотность спинового тока может достигать критического значения с помощью перестраиваемого напряжения на затворе. Самая высокая плотность спинового тока может достигать 15 МА/см2 за счет регулирования энергии запрещенной зоны GNR и силы обмена в предлагаемом нами спин-клапане с настраиваемым затвором. Кроме того, можно получить сверхнизкую мощность записи, успешно преодолев трудности, с которыми сталкиваются традиционные MRAM на основе туннельных переходов. Кроме того, предлагаемый спин-клапан соответствует критериям режима считывания, а коэффициенты MR всегда превышают 100%. Эти результаты могут открыть возможности для создания устройств спиновой логики на основе двумерных материалов.

Спинтроника сыграла важную роль в преодолении ограничений традиционных технологий и на протяжении десятилетий привлекала большое внимание. Использование двумерных (2D) материалов в последнее время позволило исследователям проводить ранее немыслимые эксперименты и тестировать концептуальные основы спинтроники благодаря их сверхтонкой толщине и уникальным физическим свойствам1,2,3. Поэтому в последнее время демонстрируется растущее число устройств спинтроники на основе двумерных материалов, таких как графен3,4, дихалькогениды переходных металлов (ДМД)5 и топологические изоляторы (ТИ)6.

Магнитная память с произвольным доступом (MRAM) — одно из многообещающих устройств спинтроники, подходящее для высокоэффективных вычислений и периферийных вычислений, используемых в искусственном интеллекте, Интернете вещей и машинном обучении7,8. Кроме того, MRAM привлекла значительное внимание благодаря своей энергонезависимости и высокой производительности чтения/записи, что делает ее привлекательной заменой DRAM, SRAM и Flash9,10. Несмотря на свою перспективность, традиционные MRAM на основе магнитных туннельных переходов (MTJ) все еще имеют некоторые недостатки. Например, MRAM с передачей крутящего момента (STT-MRAM) имеют такие недостатки, как высокая коммутационная мощность и недостаточная долговечность11. Кроме того, уменьшение размера MTJ, необходимость дополнительного магнитного поля и высокая коммутационная мощность являются слабыми сторонами MRAM со спин-орбитальным моментом (SOT-MRAM)12,13. Чтобы избежать вышеупомянутых недостатков, текущие исследования сосредоточены на технологиях магнитной памяти на основе 2D14,15. Создание, введение, обнаружение, передача и манипулирование спиновым сигналом являются основными факторами, влияющими на производительность чтения и записи в 2D-магнитной памяти16,17.

Чтение и запись — две весьма важные функции MRAM, характеризующиеся соотношением магнитосопротивления (MR) и плотностью спинового тока соответственно. Для считывания состояния в технологиях MRAM требуется минимальный коэффициент MR около 20 %18. Коэффициенты MR 0,73%19 и 5%20 были получены экспериментально на основе 2D-материалов. Исследователи обнаружили, что соотношение MR спиновых клапанов на основе 2D может соответствовать применимым требованиям для чтения в теоретическом прогнозировании21,22,23. С другой стороны, для записи состояния необходима критическая плотность спинового тока (CSCD) около 5 МА/см2 при комнатной температуре для переключения между двумя состояниями свободного слоя в памяти24,25,26. Очень важно поддерживать термическую стабильность, которая не позволяет снизить чрезмерную CSCD при практическом использовании26. Поэтому то, как генерировать плотность спинового тока сверх критического значения, является жизненно важной проблемой для проектирования спиновых клапанов на основе 2D27.