BiSb rozszerza potencjał izolatorów topologicznych dla urządzeń elektronicznych o bardzo małej mocy

Anonim

Zespół badawczy prowadzony przez Phama Nam Hai z Wydziału Inżynierii Elektrycznej i Elektronicznej, Tokijskiego Instytutu Technologii (Tokyo Tech) opracował najlepsze na świecie źródło czystego prądu spinowego ze stopów bizmut-antymon (BiSb), które najlepszy kandydat do pierwszego zastosowania przemysłowego izolatorów topologicznych. Osiągnięcie stanowi duży krok naprzód w rozwoju magnetorezystancyjnych pamięci obrotowych (SOT-MRAM) o spinowo-orbitowym momencie obrotowym, mogących zastąpić istniejące technologie pamięciowe.

Zespół opracował cienkie warstewki BiSb dla izolatora topologicznego, który jednocześnie osiąga kolosalny efekt Halla i wysoką przewodność elektryczną. Ich badania, opublikowane w Nature Materials, mogą przyśpieszyć rozwój ultra-niskiej mocy o wysokiej gęstości i ultra-szybkich nieulotnych pamięciach do Internetu rzeczy (IoT) i innych aplikacji, które stają się coraz bardziej popularne w przemyśle i w domu..

Cienkie warstewki BiSb osiągają spinowy kąt Halla wynoszący w przybliżeniu 52, przewodność 2, 5 x 10 5 i przewodność wirowania Hall 1, 3 x 10 7 w temperaturze pokojowej. (Zobacz Tabelę 1 dla podsumowania wyników, w tym dla wszystkich jednostek.) W szczególności przewodność w hali spinowej jest o dwa rzędy wielkości większa niż selenku bizmutu (Bi 2 Se 3), zgłoszona w Nature w 2014 roku.

Sprawienie, by SOT-MRAM stała się realnym wyborem

Do tej pory poszukiwanie odpowiednich materiałów do hali spinowej dla urządzeń SOT-MRAM następnej generacji stwarzało problemy: Po pierwsze, metale ciężkie, takie jak platyna, tantal i wolfram, mają wysokie przewodnictwo elektryczne, ale mają mały wirujący efekt Halla. Po drugie, izolatory topologiczne badane do tej pory mają duży spinowy efekt Halla, ale niskie przewodnictwo elektryczne.

Cienkie folie BiSb spełniają oba wymagania w temperaturze pokojowej. Stwarza to realną możliwość, że SOT-MRAM oparty na BiSb może przewyższyć istniejącą technologię MRAM z przenoszonym momentem obrotowym (STT).

"Ponieważ SOT-MRAM może być przełączany o jeden rząd wielkości szybciej niż STT-MRAM, energia przełączania może zostać zmniejszona o co najmniej dwa rzędy wielkości" - mówi Pham. "Ponadto szybkość zapisu może zostać zwiększona 20 razy, a gęstość bitów zwiększy się dziesięciokrotnie."

Żywotność takich energooszczędnych SOT-MRAM została niedawno wykazana w eksperymentach, choć z wykorzystaniem metali ciężkich, prowadzonych przez IMEC, międzynarodowe centrum badawczo-rozwojowe i innowacyjne z siedzibą w Leuven w Belgii.

Jeśli skalowane z sukcesem, SOT-MRAM oparty na BiSb mógłby radykalnie ulepszyć swoje odpowiedniki oparte na metalach ciężkich, a nawet stać się konkurencyjny w stosunku do dynamicznej pamięci o dostępie swobodnym (DRAM), obecnie dominującej technologii.

Atrakcyjny, niedoceniony materiał

BiSb był przeoczany przez społeczność badawczą ze względu na małą przerwę w paśmie i złożone stany powierzchniowe. Jednak Pham mówi: "Z punktu widzenia inżynierii elektrycznej, BiSb jest bardzo atrakcyjny ze względu na dużą mobilność nośnika, co ułatwia napędzanie prądu w materiale."

"Wiedzieliśmy, że BiSb ma wiele topologicznych stanów powierzchniowych, co oznacza, że ​​możemy spodziewać się znacznie silniejszego efektu Halla wirowania, dlatego zaczęliśmy studiować ten materiał około dwa lata temu."

Cienkie folie hodowano przy użyciu wysoce precyzyjnej metody zwanej epitaksją wiązki molekularnej (MBE). Naukowcy odkryli szczególną orientację powierzchniową o nazwie BiSb (012), która jest uważana za kluczowy czynnik dużego efektu Halla wirowania. Pham wskazuje, że liczba stożków Diraca (6) 0 na powierzchni BiSb (012) jest kolejnym ważnym czynnikiem, który jego zespół obecnie bada.

Zbliżające się wyzwania

Pham współpracuje obecnie z przemysłem, aby przetestować i rozbudować SOT-MRAM na bazie BiSb.

"Pierwszym krokiem jest wykazanie możliwości produkcyjnych" - mówi. "Naszym celem jest pokazanie, że nadal można uzyskać silny efekt Halla, nawet gdy cienkie folie BiSb są wytwarzane przy użyciu przyjaznych dla przemysłu technologii, takich jak metoda rozpylania".

"Od pojawienia się izolatorów topologicznych minęło ponad dziesięć lat, ale nie było jasne, czy te materiały mogą być używane w realistycznych urządzeniach w temperaturze pokojowej.. Nasze badania przenosi izolatory topologiczne na nowy poziom, w którym są one obiecujące dla ultra-niskich temperatur. moc SOT-MRAM. "

menu
menu