BiSb udvider potentialet for topologiske isolatorer til elektroniske enheder med meget lav effekt

Et forskerhold ledet af Pham Nam Hai ved Institut for Elektroteknik, Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) har udviklet verdens bedst effektive ren spin-strømkilde fremstillet af bismut-antimon (BiSb) legeringer, som de rapporterer som den bedste kandidat til den første industrielle anvendelse af topologiske isolatorer. Præstationen repræsenterer et stort skridt fremad i udviklingen af ​​spin-orbit moment magnetoresistive random-access memory (SOT-MRAM) enheder med potentiale til at erstatte eksisterende hukommelsesteknologier.

Teamet har udviklet tynde film af BiSb til en topologisk isolator, der samtidig opnår en kolossal spin Hall -effekt og høj elektrisk ledningsevne. Deres undersøgelse, udgivet i Naturmaterialer , kunne fremskynde udviklingen af ​​høj densitet, ultra-lav effekt, og ultrahurtige ikke-flygtige minder til Internet of Things (IoT) og andre applikationer, der nu bliver mere og mere efterspurgte til industriel og hjemmebrug.

BiSb tynde film opnår en spin Hall -vinkel på cirka 52, ledningsevne på 2,5 x 10 ⁵ og spin Hall -ledningsevne på 1,3 × 10 ⁷ ved stuetemperatur. (Se tabel 1 for et resultatoversigt, inklusive alle enheder.) Især spin Hall -ledningsevnen er to størrelsesordener større end bismuthselenids (Bi ₂ Se ₃ ), rapporteret i Natur i 2014.

Gør SOT-MRAM til et levedygtigt valg

Indtil nu, søgningen efter passende spin Hall-materialer til næste generations SOT-MRAM-enheder har givet problemer:Først, tungmetaller såsom platin, tantal og wolfram har høj elektrisk ledningsevne, men en lille spin Hall -effekt. Sekund, topologiske isolatorer, der er undersøgt til dato, har en stor spin Hall -effekt, men lav elektrisk ledningsevne.

BiSb tynde film opfylder begge krav ved stuetemperatur. Dette øger den reelle mulighed for, at BiSb-baseret SOT-MRAM kan overgå den eksisterende spin-transfer torque (STT) MRAM-teknologi.

"Da SOT-MRAM kan skiftes en størrelsesorden hurtigere end STT-MRAM, koblingsenergien kan reduceres med mindst to størrelsesordener, "siger Pham." Også, skrivehastigheden kunne øges 20 gange, og bitdensiteten øges med en faktor ti. "

Levedygtigheden af ​​sådanne energieffektive SOT-MRAM'er er for nylig blevet påvist i forsøg, omend ved hjælp af tungmetaller, udført af IMEC, det internationale F &U- og innovationshub med hovedsæde i Leuven, Belgien.

Hvis skaleret op med succes, BiSb-baseret SOT-MRAM kan drastisk forbedre sine heavy metal-baserede modparter og endda blive konkurrencedygtig med dynamisk random access memory (DRAM), nutidens dominerende teknologi.

En attraktiv, overset materiale

BiSb har haft en tendens til at blive overset af forskersamfundet på grund af dets lille båndgab og komplekse overfladetilstande. Imidlertid, Pham siger:"Fra et elektroteknisk perspektiv, BiSb er meget attraktiv på grund af sin høje mobilitet, hvilket gør det lettere at drive en strøm inden i materialet. "

"Vi vidste, at BiSb har mange topologiske overfladetilstande, hvilket betyder, at vi kunne forvente en meget stærkere spin Hall -effekt. Derfor begyndte vi at studere dette materiale for cirka to år siden. "

De tynde film blev dyrket ved hjælp af en højpræcisionsmetode kaldet molecular beam epitaxy (MBE). Forskerne opdagede en bestemt overfladeorientering ved navn BiSb (012), hvilket menes at være en nøglefaktor bag den store spin Hall -effekt. Pham påpeger, at antallet af Dirac -kegler [6] 0 på BiSb (012) overfladen er en anden vigtig faktor, som hans team nu undersøger.

Udfordringer forude

Pham samarbejder i øjeblikket med industrien om at teste og opskalere BiSb-baseret SOT-MRAM.

"Det første trin er at demonstrere fremstillbarhed, "siger han." Vi sigter mod at vise, at det stadig er muligt at opnå en stærk spin Hall -effekt, selv når BiSb tynde film fremstilles ved hjælp af branchevenlige teknologier som f.eks. sprutmetoden. "

"Det er over ti år siden fremkomsten af ​​topologiske isolatorer, men det var ikke klart, om disse materialer kunne bruges i realistiske enheder ved stuetemperatur. Vores forskning bringer topologiske isolatorer til et nyt niveau, hvor de holder et stort løfte om ultra-lav effekt SOT-MRAM. "