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拓扑自旋电子学的巨大突破
2018-08-08


[据固态电子技术网站2018731日报道]  近日,科学家开发出世界上性能最好的纯自旋电源。该电源由铋-锑(BiSb)合金制成,被认为是拓扑绝缘子首次实现工业应用的最佳候选。该成就代表了旋转轨道扭矩磁阻随机存取存储器(SOT-MRAM)器件的发展,有望取代现有存储器技术。



日本东京理工大学电气与电子工程系Pham Nam Hai领导的一个研究小组开发了一种可用做拓扑绝缘体的BiSb薄膜,同时实现了巨大的自旋霍尔效应和高电气电导率。



该研究可加速开发用于物联网(IoT)和其他应用的高密度、超低功耗和超快速非易失性存储器,在工业和家庭领域的应用需求越来越大。他们的研究成果发表在《自然材料》上。



BiSb薄膜在室温下可实现大约52°的巨大自旋霍尔角,电导率和自旋霍尔电导率分别达2.5×1051.3×107。其中,自旋霍尔电导率比2014年公布的硒化铋(Bi2Se3)高两个数量级。



有望实现SOT-MRAM



到目前为止,为下一代SOT-MRAM器件寻找合适的自旋霍尔材料一直面临两难选择:首先,铂、钽和钨等重金属具有高导电性,但旋转霍尔效应较小;其次,迄今为止已研究的拓扑绝缘体具有较大的自旋霍尔效应,但导电率低。



BiSb薄膜满足室温要求。这使基于BiSbSOT-MRAM超过现有自旋转移力矩(STTMRAM技术的可能性提高。



“由于SOT-MRAM可以比STT-MRAM快一个数量级,因此开关能量可以减少至少两个数量级。此外,写入速度可提高20倍,位密度增加10倍。”Pham说。



最近IMEC进行了实验,证明了这种节能型SOT-MRAM的可行性。如果成功扩大规模,基于BiSbSOT-MRAM可以大幅改善基于重金属的同类产品,甚至可以与当前主流技术动态随机存取存储器(DRAM)竞争。



有吸引力而被忽视的材料



BiSb由于带隙小、表面状态复杂,一直被研究界忽视。然而,Pham说:“从电气工程的角度来看,BiSb由于具有较高载流子迁移率,更容易在材料内驱动电流,因而非常具有吸引力。我们知道BiSb具有许多拓扑表面状态,这意味着我们可以期待更强的自旋霍尔效应。这就是两年前我们开始研究这种材料的原因。”



研究人员使用称为分子束外延(MBE)的高精度方法生长BiSb薄膜,并发现了一种名为BiSb012)的特定表面取向,这被认为实现巨大旋转霍尔效应的关键因素。 Pham指出,BiSb012)表面上狄拉克锥体的数量是另一个重要因素,目前他的团队正在研究这个因素。



未来的挑战



Pham目前正与业界合作,对基于BiSbSOT-MRAM进行测试和扩展制备。“第一步是展示可制造性。我们的目标是展示BiSb薄膜即使采用行业友好型技术(如溅射法)制造,仍然有可能实现强大的自旋霍尔效应。”



“自拓扑绝缘子出现以来已有十多年了,但尚不清楚这些材料是否可以在室温下用于真实设备。我们的研究将拓扑绝缘体带到了一个新的水平,它在超

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