Sekskantet bornitrid som tunnelbarriere for ferromagnetiske tunnelforbindelser

Tohoku Universitys Center for Innovative Integrated Electronic Systems (CIES) har arbejdet sammen med University of Cambridge under kerne-til-kerne-projektet (PL:Prof. Endoh). JSPS har annonceret en analyse med todimensionelle (2D) materialer (hexagonal bornitrid; h-BN) som en tunnelbarriere for ferromagnetiske tunnelforbindelser (MTJ), som kan forvente et tunnelmagnetoresistensforhold (TMR) på op til 1, 000% og grænsefladeperpendikulær magnetisk anisotropi (IPMA).

De avancerede MTJ'er i en MRAM-enhed, der omfatter tre lag CoFeB/MgO/CoFeB, og den er praktisk talt blevet brugt med nøglefunktionerne i Δ ₁ kohærent tunneling og grænseflade vinkelret magnetisk anisotropi (IPMA). Δ ₁ Kohærent tunneling øger MTJ'ens høje output og spinoverførselsmoment-switching effektivitet. IPMA bidrager til pålideligheden af ​​dataopbevaring i over 10 år. Professorerne John Robertson og Hiroshi Naganuma forklarer, "Vi beregnede den vinkelrette ledning og IPMA af 2D-materialer ved at overveje den fremtidige integration af 2D-materialer og MTJ'er." Man forestiller sig en fremtid, hvor in-plane/perpendikulær ledning er sammensat af 2D-materialer ved at integrere transistorer og MTJ'er med den høje in-plane mobilitet af 2D-materialer og den elektriske felteffekt.

Det internationale samarbejdshold opdagede, at det relative positionelle forhold mellem atomerne i Co og N forbedrer IPMA på grund af hybridiseringen af ​​orbital ved grænsefladen mellem 2D-materialet (h-BN) og det ferromagnetiske metal (Co, Fe). Vi forudsagde et tunnelmagnetoresitans (TMR) forhold på op til 1, 000% vises i et ferromagnetisk tunnelkryds (MTJ) ved hjælp af h-BN som en tunnelbarriere. "Svag og fleksibel" kemisk binding af van der Waals kraft giver frihed til at designe i ferromagnetiske tunnelforbindelser. Som resultat, forventninger til hybride integrerede kredsløb, der kombinerer in-plane/perpendikulær ledning ved at udnytte den høje in-plane mobilitet af 2D materialer og tunnel ledning i retningen vinkelret på planet.

Resultaterne blev offentliggjort online i august som redaktørens valg i Anvendt fysik anmeldelser .

Figur 1 viser transmissionsfunktionen og det samlede beregnede TMR-forhold for fem lag af h-BN og Co. Det har vist sig, at TMR-forholdet er højest ved en relativt lang interatomisk afstand, forudsat at det øverste lag af Co og h-BN-laget er fysisk adsorberet, og et TMR-forhold på op til 1, 000% kan teoretisk opnås. Papiret rapporterer også om forholdet mellem forskellige atomare positioner og TMR-forholdet, og det blev fundet, at det relative atomarrangementsforhold har en stor effekt på TMR-forholdet, som det blev fundet med grafentilfældet. Derfor, for at opnå et højt TMR-forhold, det er nødvendigt at kontrollere det atomare positionelle forhold ved hjælp af avanceret krystalvækstteknologi.

Holdet beregnede tre typer atomare positionsforhold ved indstilling af grænsefladen af ​​Co og h-BN og undersøgte IPMA. Figur 2 viser energifasediagrammet, når Co placeres direkte på N. Det blev fundet, at IPMA induceres af orbital hybridisering af h-BN og Co. I denne orbital hybridisering, kredsløbet mellem dz ₂ orbital af Co-laget og N p _z orbital i h-BN er blandet, og det tomme downspin Co d _z2 tilstand skifter opad (og N p _z tilstand skifter nedad). Som vist, det stabiliserer den fyldte N p _z overfladelagets tilstand og inducerer IPMA. Ud fra beregningen i figur 2, interaktionen, når N er placeret direkte over Co, flytter det tomme PDOS-downspin-bånd i Co-laget opad med +1 eV, resulterer i hybridisering. Dette betyder, at der er en gensidig nedadgående forskydning af de besættende bindingstilstande af N p _z , dermed øge belægningsbindingen og give IPMA.

Sammenfattende, det blev fundet, at h-BN inducerer IPMA med et højt TMR-forhold, og den svage kemiske kobling baseret på van der Waals kraft giver os frihed i valget af ferromagnetiske materialer, hvilket er fordelagtigt i design i MTJ stabling. Desuden, forskning i transistorer, der anvender høj mobilitet i flyet, er ved at blive udviklet i 2D-materialer, og afklaringen af ​​dens anvendelighed i tunnelledningsevne gennem denne forskning er en betydelig præstation, som vil bidrage til udviklingen af ​​integrerede 2D-enheder i fremtiden.