게이트의 높은 스핀 전류 밀도

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 9234(2023) 이 기사 인용

측정항목 세부정보

2차원(2D) 재료의 사용은 스핀을 관리하는 우수한 방법을 제공하여 스핀트로닉 장치 설계를 개발하는 데 매우 유리할 것입니다. 비휘발성 메모리 기술, 특히 2D 소재를 특징으로 하는 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM)가 이러한 노력의 목표입니다. MRAM의 쓰기 모드가 상태를 전환하려면 충분히 큰 스핀 전류 밀도가 필수적입니다. 실온에서 2D 재료에서 약 5 MA/cm2의 임계값을 초과하는 스핀 전류 밀도를 달성하는 방법은 극복해야 할 가장 큰 장애물입니다. 여기서 우리는 먼저 실온에서 거대한 스핀 전류 밀도를 생성하기 위해 그래핀 나노리본(GNR)을 기반으로 한 스핀 밸브를 이론적으로 제안합니다. 스핀 전류 밀도는 조정 가능한 게이트 전압을 통해 임계값을 달성할 수 있습니다. 제안된 게이트 조정 가능 스핀 밸브에서 GNR의 밴드 갭 에너지와 교환 강도를 조정하여 가장 높은 스핀 전류 밀도는 15 MA/cm2에 도달할 수 있습니다. 또한 초저 쓰기 전력을 얻을 수 있어 기존 자기 터널 접합 기반 MRAM이 직면했던 어려움을 성공적으로 극복할 수 있습니다. 또한 제안된 스핀 밸브는 읽기 모드 기준을 충족하며 MR 비율은 항상 100%보다 높습니다. 이러한 결과는 2D 재료를 기반으로 하는 스핀 논리 장치의 실현 가능성을 열어줄 수 있습니다.

스핀트로닉스는 전통 기술의 한계를 극복하는 데 중요한 역할을 했으며 수십 년 동안 큰 주목을 받아왔다. 최근 2차원(2D) 재료를 사용하면 연구자들은 초박형 두께와 독특한 물리적 특성으로 인해 이전에는 생각할 수 없었던 실험을 수행하고 스핀트로닉스의 개념적 프레임워크를 테스트할 수 있게 되었습니다1,2,3. 따라서 그래핀3,4, 전이 금속 디칼코게나이드(TMD)5 및 위상 절연체(TI)6와 같은 2D 재료를 기반으로 하는 스핀트로닉 장치의 수가 최근에 시연되었습니다.

MRAM(자기 랜덤 액세스 메모리)은 AI, IoT 및 기계 학습에 사용되는 고효율 계산 및 에지 컴퓨팅에 적합한 유망한 스핀트로닉 장치 중 하나입니다7,8. 게다가 MRAM은 비휘발성과 높은 읽기/쓰기 성능으로 인해 상당한 주목을 받아 DRAM, SRAM 및 Flash9,10을 대체할 매력적인 제품이 되었습니다. 전망에도 불구하고 기존 MTJ(자기 터널 접합) 기반 MRAM에는 여전히 몇 가지 결함이 있습니다. 예를 들어, 스핀 전달 토크 MRAM(STT-MRAM)은 높은 스위칭 전력 및 불충분한 내구성과 같은 단점을 안고 있습니다11. 또한 MTJ 크기 축소, 추가 자기장이 필요하고 높은 스위칭 전력이 필요하다는 점은 SOT-MRAM(스핀 궤도 토크 MRAM)의 약점입니다. 전술한 단점을 피하기 위해 현재 연구는 2D 기반 자기 메모리 기술에 집중되어 있습니다14,15. 스핀 신호의 생성, 주입, 감지, 전송 및 조작은 2D 기반 자기 메모리의 읽기 및 쓰기 성능에 영향을 미치는 주요 요소입니다.

읽기와 쓰기는 각각 자기저항(MR) 비율과 스핀 전류 밀도를 특징으로 하는 MRAM의 매우 중요한 두 가지 기능입니다. MRAM 기술의 상태를 읽으려면 약 20%의 최소 MR 비율이 필요합니다18. 0.73%19 및 5%20의 MR 비율은 2D 재료를 기반으로 실험적으로 보고되었습니다. 연구자들은 2D 기반 스핀 밸브의 MR 비율이 이론적 예측21,22,23에서 읽기에 적용 가능한 요구 사항을 충족할 수 있음을 발견했습니다. 반면, 상태를 기록하려면 메모리24,25,26에서 자유층의 두 상태 사이를 전환하려면 실온에서 약 5MA/cm2의 임계 스핀 전류 밀도(CSCD)가 필요합니다. 실제 사용에서 과도한 CSCD를 낮추는 것을 금지하는 열 안정성을 유지하는 것이 필수적입니다. 따라서 임계값 이상으로 스핀 전류 밀도를 생성하는 방법은 2D 기반 스핀 밸브 설계에 중요한 문제입니다.