Le Centre pour les systèmes électroniques intégrés innovants (CIES) de l'Université de Tohoku travaille en collaboration avec l'Université de Cambridge dans le cadre du projet core-to-core (PL :Prof. Endoh). JSPS a annoncé une analyse utilisant des matériaux bidimensionnels (2D) (nitrure de bore hexagonal ; h-BN) comme barrière tunnel pour les jonctions tunnel ferromagnétiques (MTJ), qui peut s'attendre à un rapport de magnétorésistance tunnel (TMR) allant jusqu'à 1, 000% et anisotropie magnétique perpendiculaire interfaciale (IPMA).

Les MTJ de pointe dans un dispositif MRAM comprenant trois couches de CoFeB/MgO/CoFeB et il a été pratiquement utilisé avec les fonctions clés de Δ 1 effet tunnel cohérent et anisotropie magnétique perpendiculaire interfaciale (IPMA). ?? 1 l'effet tunnel cohérent augmente l'efficacité de commutation de couple à haut rendement et à transfert de spin du MTJ. IPMA contribue à la fiabilité de la conservation des données depuis plus de 10 ans. Les professeurs John Robertson et Hiroshi Naganuma expliquent, "Nous avons calculé la conduction perpendiculaire et l'IPMA des matériaux 2D en considérant l'intégration future des matériaux 2D et des MTJ." Un avenir est envisagé dans lequel la conduction dans le plan/perpendiculaire est composée de matériaux 2D en intégrant des transistors et des MTJ avec la mobilité élevée dans le plan des matériaux 2D et l'effet de champ électrique.

L'équipe de collaboration internationale a découvert que la relation positionnelle relative entre les atomes de Co et N améliore l'IPMA en raison de l'hybridation de l'orbitale à l'interface entre le matériau 2D (h-BN) et le métal ferromagnétique (Co, Fe). Nous avons prédit un rapport de magnétorésistance tunnel (TMR) allant jusqu'à 1, 000% apparaît dans une jonction tunnel ferromagnétique (MTJ) utilisant le h-BN comme barrière tunnel. La liaison chimique "faible et flexible" par la force de van der Waals donne la liberté de concevoir des jonctions tunnel ferromagnétiques. Par conséquent, attentes pour les circuits intégrés hybrides qui combinent la conduction dans le plan/perpendiculaire en utilisant la mobilité élevée dans le plan des matériaux 2D et la conduction tunnel dans la direction perpendiculaire au plan.

Les résultats ont été publiés en ligne en août selon le choix de l'éditeur dans Examens de physique appliquée .

La figure 1 montre la fonction de transmission et le rapport TMR global calculé pour cinq couches de h-BN et de Co. Il a été constaté que le rapport TMR est le plus élevé à une distance interatomique relativement longue en supposant que la couche supérieure de Co et la couche h-BN sont physiquement adsorbés, et un rapport TMR jusqu'à 1, 000% peut être théoriquement obtenu. L'article rend également compte de la relation entre diverses positions atomiques et le rapport TMR, et il a été constaté que la relation d'arrangement atomique relative a un effet important sur le rapport TMR comme cela a été trouvé avec le cas du graphène. Par conséquent, obtenir un rapport TMR élevé, il est nécessaire de contrôler la relation de position atomique à l'aide d'une technologie avancée de croissance cristalline.

L'équipe a calculé trois types de relations de position atomiques lors de la définition de l'interface de Co et de h-BN et a étudié l'IPMA. La figure 2 montre le diagramme de phase d'énergie lorsque Co est placé directement sur N. Il a été constaté que l'IPMA est induite par l'hybridation orbitale de h-BN et de Co. Dans cette hybridation orbitale, l'orbitale entre le dz 2 orbitale de la couche de Co et de la N p z orbital en h-BN sont mélangés, et le downspin vide Co d z2 l'état se déplace vers le haut (et le N p z l'état bascule vers le bas). Comme montré, il stabilise le N p rempli z l'état de la couche de surface et induit l'IPMA. D'après le calcul de la figure 2, l'interaction lorsque N est placé directement au-dessus de Co décale vers le haut la bande de spin descendante PDOS vide de la couche de Co de +1 eV, aboutissant à l'hybridation. Cela signifie qu'il y a un décalage mutuel vers le bas des états de liaison occupant de N p z , augmentant ainsi le lien d'occupation et fournissant IPMA.

En résumé, il a été trouvé que h-BN induit IPMA avec un rapport TMR élevé, et le faible couplage chimique basé sur la force de van der Waals nous donne une liberté dans le choix des matériaux ferromagnétiques, ce qui est avantageux dans la conception de l'empilement MTJ. Par ailleurs, la recherche de transistors à haute mobilité dans le plan se développe dans les matériaux 2D, et la clarification de son utilité dans la conductance tunnel grâce à cette recherche est une réalisation importante qui contribuera au développement de dispositifs 2D intégrés à l'avenir.