Forskere demonstrerer gennembrud inden for tunnelbarriereteknologi

Forskere ved Naval Research Laboratory har demonstreret, for første gang, brugen af ​​grafen som en tunnelbarriere - en elektrisk isolerende barriere mellem to ledende materialer, gennem hvilke elektroner tunneler kvantemekanisk. De rapporterer fremstilling af magnetiske tunnelforbindelser ved hjælp af grafen, et enkelt atom tykt ark af kulstofatomer arrangeret i et bikagegitter, mellem to ferromagnetiske metallag i en fuldt skalerbar fotolitografisk proces. Deres resultater viser, at enkeltlags grafen kan fungere som en effektiv tunnelbarriere for både ladnings- og spin-baserede enheder, og muliggør realisering af mere komplekse grafen-baserede enheder til meget funktionelle nanoskala kredsløb, såsom tunneltransistorer, ikke-flygtig magnetisk hukommelse og omprogrammerbar spin-logik. Disse forskningsresultater er offentliggjort i onlineudgaven af Nano bogstaver .

Forskningen initierer et "paradigmeskifte i tunnelbarriereteknologi til magnetiske tunnelforbindelser (MTJ'er), der bruges til avancerede sensorer, hukommelse og logik, " forklarer NRL's Dr. Berend Jonker. Grafen har været i fokus for intens forskningsaktivitet på grund af dets bemærkelsesværdige elektroniske og mekaniske egenskaber. Tidligere, forskere fokuserede på at udvikle grafen som en leder, eller måske en halvleder, hvor strømmen løber i planet parallelt med carbon honeycomb-arket. I modsætning, NRL-forskerne viser, at grafen fungerer som en fremragende tunnelbarriere, når strømmen er rettet vinkelret på planet, og faktisk bevarer også spinpolariseringen af ​​tunnelstrømmen.

Tunnelbarrierer er grundlaget for mange elektroniske (ladningsbaserede) og spintroniske (spin-baserede) enhedsstrukturer. Fremstilling af ultratynde og fejlfri barrierer er en løbende udfordring inden for materialevidenskab. Typiske tunnelbarrierer er baseret på metaloxider (f.eks. aluminiumoxid eller magnesiumoxid), og problemer såsom uensartede tykkelser, nålehuller, defekter og indespærret ladning kompromitterer deres ydeevne og pålidelighed. Sådanne oxidtunnelbarrierer har flere begrænsninger, som hindrer fremtidig ydeevne. For eksempel, de har produkter med høj modstandsområde (RA), hvilket resulterer i højere strømforbrug og lokal opvarmning; de tillader interdiffusion ved grænsefladerne, hvilket reducerer deres ydeevne og kan føre til katastrofale fejl; og deres tykkelse er generelt uensartet, resulterer i "hot spots" i den nuværende transport. I modsætning, Dr. Jonker forklarer, grafens iboende materialeegenskaber gør det til en ideel tunnelbarriere. Grafen er kemisk inert og diffusionsuigennemtrængeligt selv ved høje temperaturer. Atomtykkelsen af ​​grafen repræsenterer det ultimative inden for tunnelbarriereskalering for det lavest mulige RA-produkt, laveste strømforbrug og hurtigste skiftehastighed.

Denne opdagelse af NRL-forskere er vigtig, fordi MTJ'er i vid udstrækning bruges som læsehoveder på harddisken, der findes på hver computer, og som hukommelseselementer i ikke-flygtig magnetisk tilfældig adgangshukommelse (MRAM), som hurtigt dukker op som en universel hukommelseserstatning for de mange varianter af konventionel halvlederbaseret hukommelse. De anses også for at være ledende kandidater som omprogrammerbare, ikke-flygtige elementer til en universel logikblok.

Selvom der er sket betydelige fremskridt, den nye generation af MTJ-baseret MRAM er afhængig af spin-overførselsmomentomskiftning, og er stærkt begrænset af de uacceptabelt høje strømtætheder, der kræves for at skifte cellens logiske tilstand. De medfølgende problemer med strømforbrug og termisk dissipation forhindrer skalering til højere tætheder og drift ved typiske CMOS-spændinger. 2011 International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) siger, at "alle de eksisterende former for ikke-flygtig hukommelse står over for begrænsninger baseret på materialeegenskaber. Succes vil afhænge af at finde og udvikle alternative materialer og/eller udvikle alternative nye teknologier ... udvikling af elektrisk tilgængelig ikke-flygtig hukommelse med høj hastighed og høj tæthed ville igangsætte en revolution inden for computerarkitektur ... og give en betydelig stigning i informationsgennemstrømning ud over de traditionelle fordele ved skalering, når den er fuldt realiseret for nanoskala CMOS-enheder" (ITRS 2011 Executive Summary, p28; og nye forskningsenheder, s. 4).

NRL-forskere mener, at de grafen-baserede magnetiske tunnelforbindelser, de har demonstreret, vil formørke ydeevnen og den nemme fremstilling af eksisterende oxidteknologi. Disse grafen-baserede MTJ'er ville være et gennembrud for spirende spin-baserede teknologier som MRAM og spin-logik, og aktivere den elektrisk tilgængelige ikke-flygtige hukommelse, der kræves for at igangsætte en revolution inden for computerarkitektur. Disse resultater baner også vejen for udnyttelse af andre todimensionelle materialer såsom sekskantet bornitrid til lignende applikationer.

NRL-forskerholdet omfatter Dr. Enrique Cobas, Dr. Adam Friedman, Dr. Olaf van 't Erve, og Dr. Berend Jonker fra Materials Science and Technology Division, og Dr. Jeremy Robinson fra Electronics Science and Technology Division.