Alta densidad de corriente de espín en la puerta

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 9234 (2023) Citar este artículo

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El uso de materiales bidimensionales (2D) será muy ventajoso para muchos diseños de dispositivos espintrónicos en desarrollo, proporcionando un método superior para administrar el giro. El objetivo del esfuerzo son las tecnologías de memoria no volátil, en particular las memorias magnéticas de acceso aleatorio (MRAM), caracterizadas por materiales 2D. Una densidad de corriente de espín suficientemente grande es indispensable para que el modo de escritura de las MRAM cambie de estado. Cómo alcanzar una densidad de corriente de espín más allá de los valores críticos de alrededor de 5 MA/cm2 en materiales 2D a temperatura ambiente es el mayor obstáculo a superar. Aquí, primero proponemos teóricamente una válvula de giro basada en nanocintas de grafeno (GNR) para generar una gran densidad de corriente de giro a temperatura ambiente. La densidad de corriente de espín puede alcanzar el valor crítico con la ayuda de un voltaje de compuerta sintonizable. La densidad de corriente de espín más alta puede alcanzar 15 MA/cm2 ajustando la energía de banda prohibida de los GNR y la fuerza de intercambio en nuestra válvula de espín sintonizable de compuerta propuesta. Además, se puede obtener una potencia de escritura ultrabaja, superando con éxito las dificultades a las que se han enfrentado las MRAM tradicionales basadas en uniones de túnel magnético. Además, la válvula giratoria propuesta cumple con los criterios del modo de lectura y las relaciones de MR son siempre superiores al 100 %. Estos resultados pueden abrir vías de viabilidad para dispositivos lógicos de espín basados ​​en materiales 2D.

La espintrónica ha jugado un papel importante en la superación de las limitaciones de las tecnologías tradicionales y atrajo gran atención durante décadas. Últimamente, el uso de materiales bidimensionales (2D) ha permitido a los investigadores realizar experimentos antes impensables y probar los marcos conceptuales de la espintrónica debido a su grosor ultrafino y sus propiedades físicas únicas1,2,3. Por lo tanto, más recientemente se ha demostrado un número creciente de dispositivos espintrónicos basados ​​en materiales 2D, como el grafeno3,4, los dicalcogenuros de metales de transición (TMD)5 y los aisladores topológicos (TI)6.

La memoria magnética de acceso aleatorio (MRAM) es un dispositivo espintrónico prometedor, adecuado para computación de alta eficiencia y computación de borde utilizada en IA, IoT y aprendizaje automático7,8. Además, MRAM ha llamado mucho la atención debido a su no volatilidad y alto rendimiento de lectura/escritura, lo que lo convierte en un reemplazo atractivo para DRAM, SRAM y Flash9,10. A pesar de ser prospectivos, los MRAM tradicionales basados ​​en la unión de túnel magnético (MTJ) todavía tienen algunos defectos. Por ejemplo, los MRAM de par de transferencia de espín (STT-MRAM) tienen desventajas, como una alta potencia de conmutación y una resistencia insuficiente11. Además, la reducción del tamaño de las MTJ, la necesidad de un campo magnético adicional y la necesidad de una alta potencia de conmutación son puntos débiles de las MRAM de torsión de giro-órbita (SOT-MRAM)12,13. Para evitar los inconvenientes antes mencionados, la investigación actual se ha concentrado en tecnologías de memoria magnética basadas en 2D14,15. La creación, inyección, detección, transmisión y manipulación de la señal de espín son los principales factores que afectan el rendimiento de lectura y escritura en la memoria magnética basada en 2D16,17.

La lectura y la escritura son dos funciones bastante importantes de las MRAM, caracterizadas por la relación de magnetorresistencia (MR) y la densidad de corriente de espín, respectivamente. Se requiere una relación de MR mínima de alrededor del 20 % para leer el estado en las tecnologías MRAM18. Las proporciones de MR de 0,73 %19 y 5 %20 se informaron experimentalmente en base a materiales 2D. Los investigadores han descubierto que la relación MR de las válvulas giratorias basadas en 2D puede cumplir con el requisito aplicable para la lectura en la predicción teórica21,22,23. Por otro lado, para escribir el estado, se requiere una densidad de corriente de espín crítica (CSCD) de alrededor de 5 MA/cm2 a temperatura ambiente para cambiar entre dos estados de la capa libre en la memoria24,25,26. Es esencial mantener la estabilidad térmica, lo que impide reducir el exceso de CSCD en el uso práctico26. Por lo tanto, cómo generar una densidad de corriente de espín más allá del valor crítico es un tema vital para el diseño de válvulas de espín basadas en 2D27.

La conmutación inducida por la corriente de espín podría entenderse en términos del efecto del par de transferencia de espín25,26, mientras que Lin et al.28,29 lo demostraron experimentalmente por primera vez en una válvula de espín basada en grafeno, y revelaron una densidad de corriente de espín de alrededor de 2 MA/cm2 Puede ser obtenido. Sin embargo, en sus experimentos era necesario aplicar un campo magnético externo y operar a una temperatura relativamente baja28,29. Hasta donde sabemos, actualmente no hay investigaciones que informen que se pueda obtener una gran densidad de corriente de espín en el grafeno a temperatura ambiente.

En este estudio se propone teóricamente la válvula giratoria sintonizable de compuerta basada en nanocintas de grafeno de sillón (AGNR) para producir un efecto STT significativo, lo que nos permite cambiar la magnetización sin la ayuda de un campo magnético externo a temperatura ambiente. Se descubre que sin aplicar un voltaje de puerta, la densidad de corriente de espín es de aproximadamente 1,5 MA/cm2, que no supera la CSCD. Con la ayuda de una puerta sintonizable, se puede alcanzar una gran densidad de corriente de espín de alrededor de 15 MA/cm2 modulando la estructura de la banda, que superó con creces a la CSCD. Además, la potencia de escritura ultrabaja es alcanzable en la válvula giratoria propuesta. El rendimiento de lectura, la relación MR, de nuestro dispositivo puede superar el 100 % con un sesgo relativamente bajo para cumplir con los requisitos aplicables. El efecto STT y MR influenciado por varios parámetros físicos, incluido el voltaje de polarización, la energía de banda prohibida y la energía de división de intercambio también se discutirán en este trabajo de simulación.

En este estudio, se considera una válvula giratoria basada en AGNR con una compuerta superior sintonizable, como se muestra en la Fig. 1a. La nanocinta monocapa, por donde fluye la corriente, se toma como el plano x-y, y se tiene en cuenta la configuración fuera del plano. Como se especifica, la fuente y el drenaje, respectivamente, son la capa fija (azul) y la capa libre (roja), que son ferromagnetos con magnetización en la dirección z. Tanto la capa fija como la capa libre tienen longitudes de 10 nm. Como se muestra en la Fig. 1b, el ferroimán en el canal AGNR causará un efecto de proximidad magnética, lo que resultará en la división del intercambio en la estructura de la banda. Yang et al. demostró que el grafeno posee una energía de división de intercambio de 36 meV a través de la interacción entre el grafeno y el EuO30. Además, Wu et al. demostró que el grafeno monocapa puede ser magnetizado por CrSe, con una energía de división de intercambio de 67 meV31. Como resultado, variamos la magnitud de la energía de división del intercambio en el rango apropiado de 20 a 80 meV en este estudio, y la estructura de banda de los electrones de espín hacia abajo y los electrones de espín hacia arriba se indican mediante la curva roja y la curva azul en Figura 1b respectivamente. Solo la energía de banda prohibida restringida por el estado de borde afectará las características de transporte en la región con la puerta superior32,33,34, y la longitud del canal se establece en 10 nm en el límite de escala, lo que evita la fuga de corriente35. La velocidad de Fermi se establece en 106 m/s. Nuestros cálculos se realizan a una temperatura de 300 K.

Válvula giratoria de compuerta sintonizable basada en nanocintas de grafeno de sillón. ( a ) Ilustración esquemática y perfil del dispositivo de la válvula giratoria basada en nanocintas de grafeno de sillón con puerta superior sintonizable. Teniendo en cuenta la configuración fuera del plano, dos cables ferromagnéticos, la capa fija (azul) y la capa libre (roja), generarán el campo de intercambio. (b) Estructura de banda para los estados en dos cables ferromagnéticos (izquierdo y derecho) y canal (medio). La energía de división de intercambio y la energía de banda prohibida se indican mediante \({\Delta }_{ex}\) y \({\Delta }_{g}\) respectivamente.

Los efectos STT y MR son dos fenómenos cruciales cuando se analizan las propiedades de transporte dependientes del espín en MRAM y válvulas de espín. El STT es proporcional a la densidad de corriente de espín24,25, mientras que se requiere una densidad de corriente de espín lo suficientemente grande para cambiar la magnetización de la capa libre. La alta densidad de corriente de espín se logra con la ayuda de los voltajes de compuerta aplicados en la estructura propuesta, como se muestra en la Fig. 2. En el modo de escritura, el voltaje de polarización aplicado VSD generalmente se establece en 0,5 V, que se adopta para los cálculos en la Fig. 2. En la Fig. 2a, se muestra que la densidad de corriente de espín Jsp aumenta a medida que aumenta la energía de división de intercambio \({\Delta }_{ex}\). La máxima densidad de corriente de espín Jsp es de alrededor de 15 MA/cm2 para \({\Delta }_{ex}\) = 80 meV cuando el voltaje de puerta VG es de 450 mV. Si el voltaje de puerta VG se ajusta a 500 mV, la densidad de corriente de espín Jsp disminuirá. Además, se puede observar que la densidad de corriente de espín ni siquiera puede exceder el mínimo CSCD 5 MA/cm2 cuando VG es 150 y 0 mV (sin activación), como lo indican la línea continua roja y la línea discontinua negra en la Fig. 2a, respectivamente. . El mapa de colores de contorno para la densidad de corriente de espín Jsp con respecto a la energía de división de intercambio \({\Delta }_{ex}\) y el voltaje de compuerta VG se muestra en la Fig. 2b, lo que nos permite visualizar claramente la región operativa para cambiar. Se sugiere que el voltaje operativo de la compuerta VG > 200 mV y el intercambio de energía de división \({\Delta }_{ex}\) > 40 meV, mientras que dos líneas discontinuas blancas representan valores de conmutación críticos. La región óptima es alrededor de \({\Delta }_{ex}\) = 80 meV y VG = 450 mV, lo cual es consistente con el resultado de la Fig. 2a.

Alta densidad de corriente de espín en válvulas de espín ajustables por compuerta basadas en nanocintas de grafeno de sillón. (a) Densidad de corriente de espín versus energía de división de intercambio con diferentes voltajes de puerta. ( b ) Mapa de colores de contorno sobre la energía de división del intercambio y el voltaje de la puerta. La energía de banda prohibida se establece en 150 meV en (a) y (b). ( c ) Densidad de corriente de giro en función del voltaje de la puerta con diferente energía de banda prohibida. Dos líneas azules en (a) y (c) indican los valores críticos para los estados de conmutación. Tenga en cuenta que la densidad de corriente de espín en la válvula de espín sin compuerta (línea discontinua negra) no puede superar siempre el valor crítico mínimo, como se muestra en (a). ( d ) Mapa de colores de contorno para energía de banda prohibida y voltaje de puerta. Asimismo, las líneas discontinuas blancas en (b) y (d) indican los valores críticos para el cambio. La energía de división del intercambio es de 80 meV tanto en (c) como en (d), mientras que en estos casos se aplica una tensión de polarización de 0,5 V.

Para encontrar nuevamente el caso óptimo, la energía de división de intercambio \({\Delta }_{ex}\) se establece en 80 meV en la Fig. 2c,d. La energía de banda prohibida \({\Delta }_{g}\) es proporcional a 1/W, donde W es el ancho de AGNR, como se muestra en la Fig. 1b32,33,34. Por lo tanto, la energía de banda prohibida \({\Delta }_{g}\) se puede ajustar, que está en el rango de 90 a 180 meV en nuestros casos. Las relaciones entre la densidad de corriente de espín y el voltaje de puerta con diferente energía de banda prohibida se muestran en la Fig. 2c. Cuando el voltaje de puerta es inferior a 200 mV, se observa que la densidad de corriente de espín aumenta al disminuir la energía de banda prohibida. Se puede observar que todos superan el valor crítico mínimo de 5 MA/cm2 cuando la tensión de puerta VG es superior a 250 mV. Además, la máxima densidad de corriente de espín Jsp alcanza 14 MA/cm2 cuando la energía de banda prohibida \({\Delta }_{g}\) es igual a 150 meV y el voltaje de puerta VG es de alrededor de 450 mV. Nuevamente, para darnos cuenta de la densidad de corriente de espín Jsp con mayor precisión con respecto a la energía de banda prohibida \({\Delta }_{g}\) y el voltaje de puerta VG, el mapa de colores de contorno se ilustra en la Fig. 2d. La cima de la colina está ubicada en \({\Delta }_{g}\) = 150 meV y VG = 450 mV, lo cual es consistente con el resultado de la Fig. 2c. Tenga en cuenta que la densidad de corriente de giro es constante sin importar cómo varíe la longitud del canal (consulte la Nota complementaria 4 para obtener más detalles).

Para comprender mejor el rendimiento de la válvula giratoria AGNR, el consumo de energía y la corriente de giro se presentan en la Fig. 3. En la Fig. 3a, se muestra que el consumo de energía tendrá el máximo global en VSD = 500 mV . El efecto de resistencia diferencial negativa se puede observar en el intervalo de máximo local y mínimo local. Además, los consumos de energía para todos los casos son casi los mismos cuando se opera a VSD = 500 mV (voltaje de escritura). Se puede obtener un poder de escritura ultrabajo en la válvula giratoria propuesta. En la Fig. 3b, se muestra la corriente de espín Isp en función del voltaje de polarización VSD. El esquema de la Fig. 3b demuestra que los electrones que giran hacia arriba son los portadores mayoritarios. Se encuentra que la corriente de espín Isp se vuelve más grande a medida que aumenta la energía de división del intercambio. Curiosamente, cuando se opera con voltaje de escritura, la corriente de espín en \({\Delta }_{ex}\)= 80 meV (máximo) es 4 veces mayor que en \({\Delta }_{ex}\) = 20 meV (mínimo). Por lo tanto, se sugiere que la energía de división del intercambio pueda ser lo más grande posible, lo que puede conducir a una STT y polarización ampliadas para la conmutación y casi no consumirá energía adicional con el mismo voltaje de polarización (consulte la Nota complementaria 2 para obtener más detalles).

Potencia y corriente de espín en válvulas de espín cerradas. (a) Potencia y (b) corriente de espín en función del voltaje de polarización con diferente energía de división de intercambio. El recuadro en (b) demuestra que los electrones spin-up son los portadores mayoritarios que transmiten, y la corriente de spin \({I}_{sp}\) se define como \({I}_{up}-{I} _{abajo}\). En (a) y (b), la energía de banda prohibida se establece en 150 meV, mientras que se aplica un voltaje de puerta de 450 mV.

Para una mejor comprensión de los rendimientos de STT en válvulas de espín AGNR activadas y no activadas, las transmisiones dependientes del espín se ilustran en la Fig. 4. Los parámetros se dan de la siguiente manera: el voltaje de polarización VSD = 500 mV, la energía de banda prohibida \( {\Delta }_{g}\) = 150 meV, y la energía de división del intercambio \({\Delta }_{ex}\) = 80 meV. La línea continua azul indica la válvula giratoria con compuerta, mientras que la línea discontinua negra representa la válvula giratoria sin compuerta. En la Fig. 4 se puede observar que existen dos bandas de energía prohibida en cada panel. Los intervalos de ellos están influenciados por la energía de división del intercambio cuando se considera el mismo ancho de AGNR. La contribución neta a la densidad de corriente de giro Jsp son las contribuciones de giro hacia arriba (Fig. 4a, c) menos las contribuciones de giro hacia abajo (Fig. 4b, d). Se muestra que la transmisión \({T}_{ij}\) en el integrando de la Ec. (2) se vuelve más grande en la ventana de energía relativamente baja, lo que da como resultado un efecto STT ampliado en la válvula giratoria AGNR controlada (consulte la sección Métodos para obtener más detalles). El voltaje de puerta limita la transmisión durante la ventana de alta energía. La transmisión en la Fig. 4a (4c) y la Fig. 4b (4d), ya sea en válvulas de espín cerradas o no cerradas, es esencialmente igual en el dominio de energía relativamente alta, cancelando efectivamente la contribución a la corriente de espín y dando como resultado la generación de solo carga corriente. La corriente de carga se reducirá como resultado de la aplicación del voltaje de puerta debido a la transmisión restringida. Para producir un efecto STT significativo y un menor consumo de energía en la válvula giratoria propuesta, se debe aplicar voltaje de compuerta.

Función de transmisión dependiente del espín frente a la energía de los electrones. (a) T↑↑, (b) T↑↓, (c) T↓↑, y (d) T↓↓ frente a la energía de los electrones en válvulas giratorias no activadas (línea discontinua negra) y activadas (línea continua azul). Las funciones de transmisión Tij se representan como una función de la energía de los electrones. El subíndice i (j) denota la orientación del giro, mientras que ↑ y ↓ representan estados de giro hacia arriba y hacia abajo, respectivamente. Los cálculos se realizan con una tensión de polarización de 500 mV, una energía de banda prohibida de 150 meV y una energía de división de intercambio de 80 meV.

Este estudio también examina el rendimiento en lectura. En la válvula de giro sugerida, se utiliza un sesgo de detección relativamente pequeño para leer el estado, como se muestra en la Fig. 5. Para caracterizar el rendimiento de lectura, presentamos la relación MR, MR = \(\frac{{I}_{p }-{I}_{ap}}{{I}_{ap}}\times 100\%\), donde \({I}_{p}\) y \({I}_{ap}\ ) son las corrientes polarizadas de espín en las configuraciones paralela y antiparalela respectivamente. La Figura 5a muestra la relación de MR dependiente del sesgo para varias energías de banda prohibida. La relación máxima de MR siempre ocurre con un voltaje de polarización VSD = 10 mV, y es de aproximadamente 3200 % para la energía de banda prohibida \({\Delta }_{g}\) = 150 meV. Las corrientes polarizadas por espín en las configuraciones paralela y antiparalela se examinan para determinar la causa de la variación de la relación MR, como se muestra en la Fig. 5b, c, respectivamente. Las relaciones máximas de MR se pueden atribuir principalmente a una corriente muy pequeña polarizada por espín en la configuración antiparalela, como se muestra en la Fig. 5c (consulte la Nota complementaria 3 para obtener más detalles). Además, la relación MR disminuye drásticamente a medida que aumenta el voltaje de polarización en la Fig. 5a. Sin embargo, las relaciones de MR son siempre del 100 % y cumplen los estándares esenciales incluso cuando se aplica la tensión de polarización VSD = 100 mV. Esto se debe a que la corriente polarizada por espín en la configuración paralela es el doble que en la configuración antiparalela, como se muestra en la Fig. 5b,c. Nos gustaría señalar que una no idealidad desfavorable, como la resistencia de contacto, podría afectar las actuaciones en el mundo real36,37. Como resultado, es justo considerar los valores extremos en este estudio como el máximo de las observaciones experimentales debido a las no idealidades.

Relación de MR versus voltaje de polarización en válvulas de espín cerradas. ( a ) Relación de MR versus un sesgo de detección relativamente pequeño con diferente energía de banda prohibida. Tenga en cuenta que el voltaje de polarización aplicado es de alrededor de 0,1 V para la lectura. La corriente polarizada por espín en las configuraciones (b) paralela y c antiparalela se traza para investigar el efecto MR en (a). La energía de división del intercambio se establece en 80 meV y se aplica un voltaje de puerta de 450 mV.

En resumen, proponemos teóricamente una válvula de espín sintonizable por compuerta basada en AGNR para producir un efecto STT significativo, lo que nos permite cambiar la magnetización de la capa libre a temperatura ambiente sin la ayuda de un campo magnético externo. Se encuentra que la densidad de corriente de espín no puede superar CSCD sin aplicar voltaje de puerta. Con suerte, con la ayuda de la puerta controlada, se alcanza una tremenda densidad de corriente de espín de aproximadamente 15 MA/cm2, mucho más allá del típico CSCD. Se sugiere que la fuerza de la división del intercambio sea lo más grande posible con un voltaje de puerta de alrededor de 450 mV. La válvula giratoria propuesta también permite lograr una potencia de escritura ultrabaja. Los índices de MR son siempre de hasta el 100 % y cumplen los requisitos en el modo de lectura de las MRAM. Estos hallazgos pueden allanar el camino para que los dispositivos lógicos de espín basados ​​en materiales 2D sean factibles.

El modelo hamiltoniano del sistema propuesto viene dado por

donde \({v}_{F}\) es la velocidad de Fermi, \(\widehat{\sigma }\) es el vector de matrices de Pauli, \(\widehat{p}=\left({p}_{ x}, { p}_{y}\right)\) es el operador de cantidad de movimiento en el plano, \(V\left(x\right)\) es la barrera de potencial, y \({\Delta }_{ex }\) es la energía de división del intercambio inducida por la magnetización del plomo ferromagnético. El índice spin-up (spin-down) se denota por \(\xi =+1\)(\(-1\)).

En el formalismo de Landauer-Büttiker38, las corrientes de espín con los diferentes tipos de electrones inyectando y saliendo del sistema están dadas por

donde \(h\) es la constante de Plank, e es la carga del electrón, \({T}_{ij}\) es la transmisión, y \(f_{{S\left( D \right)}} = \ izquierda\{ {1 + exp\izquierda[ {\izquierda( {E - \mu _{{S\izquierda( D \derecha)}} } \derecha)/k_{B} T} \derecha]} \derecha\ }^{{ - 1}}\) es la función de Fermi-Dirac con \({\mu }_{S(D)}.\) El cálculo detallado de la transmisión se analiza en la Nota complementaria 1.

El par de transferencia de espín \(\Gamma\) se puede expresar como la siguiente ecuación24,25

donde \(\boldsymbol{\hslash }\) es la constante de Planck reducida, y \(e\) es la carga del electrón. Se define la densidad de corriente de espín \({J}_{sp}={J}_{arriba}-{J}_{abajo}\), donde \({J}_{arriba}={J}_{ \uparrow \uparrow }+{J}_{\downarrow \uparrow }\) y \({J}_{down}={J}_{\downarrow \downarrow }+{J}_{\uparrow \downarrow } \) se dan respectivamente. STT es proporcional a la densidad de corriente de espín, como se muestra en la ecuación. (3). Por lo tanto, podemos darnos cuenta del efecto STT en términos de densidad de corriente de espín.

Los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles previa solicitud razonable al autor correspondiente.

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Los autores agradecen el apoyo brindado por el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán, bajo el número de subvención MOST 110-2221-E-002-176 y 111-2221-E-002-194.

Grupo de Nanomagnetismo, Departamento de Ciencias de la Ingeniería e Ingeniería Oceánica, Universidad Nacional de Taiwán, 1, Sec. 4, Roosevelt Road, Taipéi, 10617, Taiwán

Chun-Pu Wang, Shih-Hung Cheng y Wen-Jeng Hsueh

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WJH supervisó y desarrolló la idea principal del manuscrito. WJH y CPW diseñaron la investigación. CPW y SHC realizaron análisis numéricos y verificación bibliográfica. Todos los autores contribuyeron a la redacción del manuscrito y la discusión de los resultados.

Correspondencia a Wen-Jeng Hsueh.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Wang, CP., Cheng, SH. y Hsueh, WJ. Alta densidad de corriente de espín en válvulas de espín sintonizables por compuerta basadas en nanocintas de grafeno. Informe científico 13, 9234 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36478-6

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Recibido: 17 febrero 2023

Aceptado: 04 junio 2023

Publicado: 07 junio 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36478-6

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