Forbedring af hukommelsesteknologi:Multiferroiske nanodotter til magnetisk lagring med lav effekt

Traditionelle hukommelsesenheder er flygtige, og de nuværende ikke-flygtige er afhængige af enten ferromagnetiske eller ferroelektriske materialer til datalagring. I ferromagnetiske enheder skrives eller lagres data ved at justere magnetiske momenter, mens datalagring i ferroelektriske enheder er afhængig af justeringen af ​​elektriske dipoler.

Generering og manipulation af magnetiske felter er imidlertid energikrævende, og i ferroelektriske hukommelsesenheder ødelægger læsning af data den polariserede tilstand, hvilket kræver, at hukommelsescellen omskrives.

Multiferroiske materialer, som indeholder både ferroelektriske og ferromagnetiske ordrer, tilbyder en lovende løsning til mere effektiv og alsidig hukommelsesteknologi. Kobolt-substitueret BiFeO₃ (BiFe_0,9 Co_0,1 O₃ , BFCO) er et multiferroisk materiale, som udviser stærk magnetoelektrisk kobling, hvilket betyder, at ændringer i elektrisk polarisering påvirker magnetiseringen.

Som et resultat kan data skrives ved hjælp af elektriske felter, hvilket er mere energieffektivt end at generere magnetiske felter, og læses ved hjælp af magnetiske felter, hvilket undgår den destruktive udlæsningsproces.

Som en væsentlig milepæl for multiferroiske hukommelsesenheder har et team af forskere ledet af professor Masaki Azuma og adjunkt Kei Shigematsu fra Tokyo Institute of Technology i Japan med succes udviklet nanodotter med enkelte ferroelektriske og ferromagnetiske domæner.

"Hos Sumitomo Chemical Next-Generation Eco-Friendly Devices Collaborative Research Cluster inden for Institute for Innovative Research ved Tokyo Institute of Technology er der fokus på multiferroiske materialer, der udviser krydskorrelationsresponser mellem magnetiske og elektriske egenskaber baseret på principperne om stærkt korrelerede elektronsystemer.

"Centret har til formål at udvikle materialer og processer til næste generations laveffekt ikke-flygtige magnetiske hukommelsesenheder, samt at udføre pålidelighedsvurderinger og social implementering," siger Azuma.

I deres undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet ACS Applied Materials &Interfaces den 9. april 2024 brugte forskere pulseret laseraflejring til at afsætte multiferroisk BFCO på en ledende Nb:SrTiO₃ (001) substrat. De styrede aflejringsprocessen ved at bruge anodiseret aluminiumoxid (AAO) masker med justerbare porestørrelser, hvilket resulterede i nanodotter med diametre på 60 nm og 190 nm.

BFCO er en lovende mulighed for laveffekt, ikke-flygtige magnetiske hukommelsesenheder, da dens magnetiseringsretning kan vendes med et elektrisk felt. Ved at observere polarisations- og magnetiseringsretningerne ved hjælp af henholdsvis piezoresponskraftmikroskopi og magnetisk kraftmikroskopi fandt forskerne ud af, at nanodotterne udviser korrelerede ferroelektriske og ferromagnetiske domænestrukturer.

Interessant nok, når de sammenlignede nanodots af forskellige størrelser, bemærkede de betydelige forskelle. Den mindre 60-nm nanodot, lavet ved hjælp af en oxalsyre AAO-maske, viste enkelte ferroelektriske og ferromagnetiske domæner, hvor polarisations- og magnetiseringsretningerne er ensartede overalt.

Imidlertid havde den større 190-nm nanodot, dannet ved hjælp af en malonsyre AAO-maske, multidomæne hvirvel-ferroelektriske og magnetiske strukturer, der indikerer stærk magnetoelektrisk kobling.

"En sådan enkeltdomænestruktur af ferroelektricitet og ferromagnetisme ville være en ideel platform til at undersøge BFCO som en elektrisk feltskrivende magnetisk udlæsningsenhed, og multidomænestrukturer tilbyder en legeplads for fundamental forskning," siger Shigematsu.

Ikke-flygtige magnetiske hukommelsesenheder er afgørende for forskellige elektroniske applikationer, da de bevarer lagret information, selv når strømmen er slukket. Med deres unikke sammensætning af enkelte ferromagnetiske og ferroelektriske domæner viser BFCO 60-nm nanodots et stort potentiale for at skabe magnetiske hukommelsesenheder, der kræver minimal elektrisk strøm til skrive- og læseoperationer.

Flere oplysninger: Keita Ozawa et al., Single or Vortex Ferroelektriske og Ferromagnetiske Domæne Nanodot Array of Magnetolectric BiFe0.9Co0.1O3, ACS Applied Materials &Interfaces (2024). DOI:10.1021/acsami.4c01232

Journaloplysninger: ACS-anvendte materialer og grænseflader

Leveret af Tokyo Institute of Technology