Elevata densità di corrente di spin nel gate

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9234 (2023) Citare questo articolo

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L'utilizzo di materiali bidimensionali (2D) sarà molto vantaggioso per molti progetti di dispositivi spintronici in via di sviluppo, fornendo un metodo superiore di gestione dello spin. L'obiettivo del progetto sono le tecnologie di memoria non volatile, in particolare le memorie magnetiche ad accesso casuale (MRAM), caratterizzate da materiali 2D. Una densità di corrente di spin sufficientemente grande è indispensabile affinché la modalità di scrittura delle MRAM possa cambiare stato. Come ottenere una densità di corrente di spin oltre i valori critici intorno a 5 MA/cm2 nei materiali 2D a temperatura ambiente è il più grande ostacolo da superare. Qui, per prima cosa proponiamo teoricamente una valvola di spin basata su nanonastri di grafene (GNR) per generare un'enorme densità di corrente di spin a temperatura ambiente. La densità di corrente di spin può raggiungere il valore critico con l'aiuto della tensione di gate sintonizzabile. La densità di corrente di spin più alta può raggiungere 15 MA/cm2 regolando l'energia del gap di banda dei GNR e la forza di scambio nella nostra valvola di spin sintonizzabile a gate proposta. Inoltre, è possibile ottenere una potenza di scrittura estremamente bassa, superando con successo le difficoltà che i tradizionali MRAM basati su giunzione a tunnel magnetico hanno dovuto affrontare. Inoltre, la valvola di spin proposta soddisfa i criteri della modalità di lettura e i rapporti MR sono sempre superiori al 100%. Questi risultati potrebbero aprire strade di fattibilità per dispositivi logici di spin basati su materiali 2D.

La spintronica ha svolto un ruolo importante nel superare i limiti delle tecnologie tradizionali e ha attirato grande attenzione per decenni. L'uso di materiali bidimensionali (2D) ha recentemente consentito ai ricercatori di effettuare esperimenti precedentemente impensabili e di testare strutture concettuali della spintronica grazie al loro spessore ultrasottile e alle proprietà fisiche uniche1,2,3. Pertanto, più recentemente è stato dimostrato un numero crescente di dispositivi spintronici basati su materiali 2D, come grafene3,4, dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD)5 e isolanti topologici (TI)6.

La memoria magnetica ad accesso casuale (MRAM) è un promettente dispositivo spintronico, adatto per il calcolo ad alta efficienza e l'edge computing utilizzato nell'intelligenza artificiale, nell'IoT e nell'apprendimento automatico7,8. Inoltre, MRAM ha suscitato notevole attenzione grazie alla sua non volatilità e alle elevate prestazioni di lettura/scrittura, che la rendono un interessante sostituto di DRAM, SRAM e Flash9,10. Nonostante siano promettenti, i tradizionali MRAM basati sulla giunzione a tunnel magnetico (MTJ) presentano ancora alcuni difetti. Ad esempio, le MRAM con coppia di trasferimento di rotazione (STT-MRAM) presentano svantaggi quali elevata potenza di commutazione e resistenza insufficiente11. Inoltre, la riduzione delle dimensioni degli MTJ, la necessità di un campo magnetico aggiuntivo e l'elevata potenza di commutazione sono punti deboli per gli MRAM di coppia spin-orbita (SOT-MRAM)12,13. Per evitare i suddetti inconvenienti, la ricerca attuale si è concentrata sulle tecnologie di memoria magnetica basate su 2D14,15. La creazione, l'iniezione, il rilevamento, la trasmissione e la manipolazione del segnale di spin sono i principali fattori che influenzano le prestazioni di lettura e scrittura nella memoria magnetica basata su 2D16,17.

La lettura e la scrittura sono due funzioni piuttosto importanti dei MRAM, caratterizzate rispettivamente dal rapporto di magnetoresistenza (MR) e dalla densità di corrente di spin. Per leggere lo stato nelle tecnologie MRAM è necessario un rapporto MR minimo di circa il 20%18. Rapporti MR dello 0,73%19 e del 5%20 sono stati riportati sperimentalmente sulla base di materiali 2D. I ricercatori hanno scoperto che il rapporto MR delle valvole di spin basate su 2D può soddisfare i requisiti applicabili per la lettura nella previsione teorica21,22,23. D'altra parte, per scrivere lo stato, è necessaria una densità di corrente di spin critica (CSCD) di circa 5 MA/cm2 a temperatura ambiente per passare tra due stati dello strato libero nella memoria24,25,26. È essenziale mantenere la stabilità termica, che impedisce di abbassare l'eccessivo CSCD nell'uso pratico26. Pertanto, come generare una densità di corrente di spin oltre il valore critico è una questione vitale per la progettazione di valvole di spin basate su 2D27.