Il Center for Innovative Integrated Electronic Systems (CIES) dell'Università di Tohoku ha lavorato in collaborazione con l'Università di Cambridge nell'ambito del progetto core-to-core (PL:Prof. Endoh). JSPS ha annunciato un'analisi che utilizza materiali bidimensionali (2D) (nitruro di boro esagonale; h-BN) come barriera tunnel per giunzioni tunnel ferromagnetiche (MTJ), che può aspettarsi un rapporto di magnetoresistenza del tunnel (TMR) fino a 1, 000% e anisotropia magnetica perpendicolare interfacciale (IPMA).

Gli MTJ all'avanguardia in un dispositivo MRAM comprendente tre strati di CoFeB/MgO/CoFeB ed è stato praticamente utilizzato con le funzioni chiave di Δ ₁ tunneling coerente e anisotropia magnetica perpendicolare interfacciale (IPMA). ? ₁ il tunneling coerente aumenta l'elevata potenza dell'MTJ e l'efficienza di commutazione della coppia di trasferimento di spin. IPMA contribuisce all'affidabilità della conservazione dei dati per oltre 10 anni. I professori John Robertson e Hiroshi Naganuma spiegano, "Abbiamo calcolato la conduzione perpendicolare e l'IPMA dei materiali 2D considerando la futura integrazione di materiali 2D e MTJ". È previsto un futuro in cui la conduzione nel piano/perpendicolare sia composta da materiali 2D integrando transistor e MTJ con l'elevata mobilità nel piano dei materiali 2D e l'effetto del campo elettrico.

Il team di collaborazione internazionale ha scoperto che la relazione posizionale relativa tra gli atomi di Co e N migliora l'IPMA a causa dell'ibridazione dell'orbitale all'interfaccia tra il materiale 2D (h-BN) e il metallo ferromagnetico (Co, Fe). Abbiamo previsto un rapporto di magnetoresistenza del tunnel (TMR) fino a 1, 000% appare in una giunzione tunnel ferromagnetica (MTJ) utilizzando h-BN come barriera tunnel. Il legame chimico "debole e flessibile" della forza di van der Waals offre libertà di progettazione nelle giunzioni di tunnel ferromagnetici. Di conseguenza, aspettative per circuiti integrati ibridi che combinano la conduzione nel piano/perpendicolare utilizzando l'elevata mobilità nel piano dei materiali 2D e la conduzione a tunnel nella direzione perpendicolare al piano.

I risultati sono stati pubblicati online ad agosto come scelta dell'editore in Recensioni di fisica applicata .

La Figura 1 mostra la funzione di trasmissione e il rapporto TMR complessivo calcolato per cinque strati di h-BN e Co. È stato riscontrato che il rapporto TMR è più alto a una distanza interatomica relativamente lunga supponendo che lo strato superiore di Co e lo strato h-BN sono fisicamente adsorbiti, e un rapporto TMR fino a 1, 000% può essere teoricamente ottenuto. Il documento riporta anche la relazione tra le varie posizioni atomiche e il rapporto TMR, e si è scoperto che la relazione di disposizione atomica relativa ha un grande effetto sul rapporto TMR come è stato trovato con il caso del grafene. Perciò, per ottenere un rapporto TMR elevato, è necessario controllare la relazione posizionale atomica utilizzando una tecnologia avanzata di crescita dei cristalli.

Il team ha calcolato tre tipi di relazioni posizionali atomiche durante l'impostazione dell'interfaccia di Co e h-BN e ha studiato l'IPMA. La Figura 2 mostra il diagramma di fase dell'energia quando Co è posizionato direttamente su N. È stato scoperto che IPMA è indotto dall'ibridazione orbitale di h-BN e Co. In questa ibridazione orbitale, l'orbitale tra il dz ₂ orbitale dello strato di Co e N p _z orbitali in h-BN sono misti, e il downspin vuoto Co d _z2 lo stato si sposta verso l'alto (e N p _z lo stato si sposta verso il basso). Come mostrato, stabilizza l'N p . pieno _z stato dello strato superficiale e induce IPMA. Dal calcolo in Figura 2, l'interazione quando N è posizionato direttamente sopra Co sposta la banda di downspin PDOS vuota dello strato Co verso l'alto di +1 eV, conseguente ibridazione. Ciò significa che c'è uno spostamento reciproco verso il basso degli stati di legame occupante di N p _z , aumentando così il legame di occupazione e fornendo IPMA.

In sintesi, è stato scoperto che h-BN induce IPMA con un alto rapporto TMR, e il debole accoppiamento chimico basato sulla forza di van der Waals ci dà libertà nella selezione dei materiali ferromagnetici, che è vantaggioso nel design nell'impilamento MTJ. Per di più, la ricerca di transistor ad alta mobilità nel piano si sta sviluppando nei materiali 2D, e il chiarimento della sua utilità nel tunneling conduttanza attraverso questa ricerca è un risultato significativo che contribuirà allo sviluppo di dispositivi 2D integrati in futuro.