Инновационный метод открывает путь к сверхчистым микрочипам

Новый метод манипулирования магнетизмом в микрочипе может проложить путь для устройств памяти, вычислений и восприятия, которые потребляют крайне меньше энергии по сравнению с современными версиями. Эта техника также могла преодолеть некоторые из внутренних физических границ, которые до сих пор тормозили продвижение в этой области.

Иллюстрация показывает, как ионы водорода (красные точки), контролируемые электрическим напряжением, мигрируют через промежуточный материал для изменения магнитные свойства соседнего магнитного слоя (показаны зеленым цветом). (Изображение: любезность исследователей, под редакцией MIT News)

Ученые из Массачусетского технологического института и в Брукхейвенской национальной лаборатории показали, что они могут регулировать магнитные свойства тонкопленочного материала, просто применяя небольшое напряжение. Обнаруженные таким образом отклонения в магнитной ориентации остаются в новом состоянии без необходимости постоянного источника питания, в отличие от обычных микросхем памяти, обнаруженных командой

Новое открытие было изложено в недавнем выпуске журнала Nature Materials в статье Джеффри Бич, профессора материаловедения и инженерии и содиректора Лаборатории исследований материалов Массачусетского технологического института; аспирант Айк Джун Тан; и восемь других в Массачусетском технологическом институте и Брукхейвене.

Вращающиеся врачи

. Поскольку кремниевые микрочипы приближаются к фундаментальным физическим границам, которые могут ограничить их способность продолжать наращивать свои возможности при снижении энергопотребления, ученые изучают целый ряд новых технологий, которые могут преодолеть эти ограничения. Одним из благоприятных альтернатив является метод, известный как спинтроника, который использует свойство электронов, известных как спин, вместо их электрического заряда.

Поскольку устройства spintronic могут сохранять свои магнитные свойства без необходимости постоянной мощности, для чего требуются чипы кремниевой памяти, им нужно намного меньше энергии для работы. Они также дают намного меньше тепла – еще один ключевой фактор, ограничивающий современные устройства.

Тем не менее, технология spintronic страдает от собственных ограничений. Одним из самых больших недостающих компонентов был способ просто и быстро регулировать магнитные свойства материала электрически, применяя напряжение. Многие исследовательские группы во всем мире преследуют эту задачу.

Ранее попытки зависели от накопления электронов на границе раздела между изолятором и металлическим магнитом, используя структуру устройства, сродни конденсатору. Электрический заряд может изменять магнитные свойства материала, но только очень небольшим количеством, что делает его невозможным для использования на реальных устройствах. Были также предприняты усилия по использованию ионов, а не электронов, для изменения магнитных свойств. Например, ионы кислорода использовались для окисления тонкого слоя магнитного материала, что вызывало очень большие изменения магнитных свойств. Но вставка и удаление ионов кислорода заставили материал набухать и сжиматься, что привело к механическим повреждениям, которые ограничивают процесс лишь несколькими повторениями, что делает его в основном неработоспособным для вычислительных устройств.

Новая находка показывает способ уклониться от этого, используя вместо ионов ионов водорода гораздо большие ионы кислорода, используемые при более ранних попытках. Ученые говорят, что, поскольку водородные ионы могут проникать и выходить без проблем, новая система намного быстрее и предлагает другие важные преимущества.

Поскольку ионы водорода намного меньше, они могут проникать и выходить из кристаллической структуры спинтронного устройства, изменяя свою магнитную ориентацию каждый раз, не разрушая материал. Фактически, команда теперь показала, что этот процесс не вызывает ухудшения материала после более чем 2000 циклов. Плюс, в отличие от ионов кислорода, водород может легко проходить через металлические слои, что позволяет команде манипулировать свойствами слоев глубоко в устройстве, которое нельзя регулировать каким-либо другим способом.

«Когда вы перекачиваете водород к магниту, намагниченность вращается», Тан говорит. «На самом деле вы можете переключать направление намагничивания на 90 градусов, применяя напряжение – и оно полностью обратимо». Поскольку ориентация полюсов магнита – это то, что используется для хранения информации, это означает, что это возможно просто написать и стереть «бит» данных в spintronic-устройствах с использованием этого эффекта.

Пляж, чья лаборатория обнаружила первоначальный процесс регулирования магнетизма через ионы кислорода несколько лет назад, говорит, что предварительный вывод дал волю обширным исследованиям в новой области, окрещенной «магнитной ионикой», и теперь этот последний вывод « повернул на своем конце все это поле ».

«Это действительно значительный прорыв», – говорит Крис Лейтон, профессор Университета Миннесоты, профессор Университета Миннесоты, который не участвовал в этом исследовании. «В настоящее время во многих странах мира наблюдается большой интерес к контролю магнитных материалов, просто применяя электрические напряжения. Это не только интересно с фундаментальной стороны, но также является потенциальным игровым устройством для приложений, где магнитные материалы используются для хранения и обработки цифровой информации ».

Лейтон говорит, «Использование водородной вставки для контроля магнетизма не нова, но может делать это с помощью напряжения, в твердотельном устройстве с хорошим воздействием на магнитные свойства, то есть довольно значительным! » Он добавляет, « это нечто новое, с возможностью открыть новые новые области исследований. … В конце концов, управление любыми типами материалов, буквально переворачивая переключатель, довольно увлекательно. Будучи в состоянии сделать это достаточно быстро, более чем достаточно циклов, в общем, было бы фантастическим достижением для науки и техники ».

В основном, объясняет Бич, он и его команда «пытаются сделать магнитный аналог транзистора», который можно включать и выключать непрерывно, не искажая его физические свойства.

Просто добавьте воду

Открытие произошло случайно. Изучая слоистые магнитные материалы в поисках путей изменения их магнитного поведения, Тан узнал, что результаты его экспериментов значительно отличались изо дня в день по причинам, которые не были очевидны. В конечном счете, исследуя все условия во время различных испытаний, он понимал, что основное различие заключается в влажности воздуха: эксперимент был более эффективным во влажные дни по сравнению с сухими. Причина, по его мнению, заключалась в том, что молекулы воды из воздуха разделялись на водород и кислород на заряженной поверхности материала, а в то время как кислород исчезал в воздухе, водород становился ионизированным и входил в магнитное устройство – и изменяя его магнетизм.

Устройство, созданное командой, состоит из сэндвича из нескольких тонких слоев, включая слой кобальта, где происходят магнитные изменения, зажатые между слоями металла, такого как платина или палладий, и содержащие наложение оксида гадолиния и затем золотой слой для подключения к управляющему электрическому напряжению.

Магнитизм включается с помощью всего лишь краткого применения напряжения и затем остается помещенным. Для его обратного хода не требуется питание, просто короткое замыкание устройства, чтобы электрически подключить его две стороны, в то время как обычная микросхема памяти требует постоянной мощности для поддержания ее состояния. «Поскольку вы просто применяете импульс, потребляемая мощность может идти вниз», Пляж говорит.

Новые устройства с высокой скоростью переключения и низким потреблением энергии в конечном итоге могут быть особенно полезны для таких мобильных устройств, как говорит Пляж, но исследование все еще находится на начальной стадии и потребует дальнейшего развития.

«Я вижу лабораторные прототипы в течение нескольких лет или меньше», – говорит он. Создание полной рабочей ячейки памяти «довольно сложно» и может занять некоторое время, говорит он.

Исследование было поддержано Национальным научным фондом через Программу научно-технических исследований материалов (MRSEC).

Source link