Topolojik izolatörlerde yeni bir atılım
biliyoruz, malzeme Genellikle ikiye ayrılır Yalıtkan ile orkestra şefi . Ama bir çeşit sihirli malzeme var. İç kısmı yalıtıcı, ama ara yüzü iletken. Bu malzemeye Topolojik izolatörler . Keşfedildiği günden bu yana, topolojik izolatörler, yoğunlaştırılmış madde fiziğinde her zaman bir araştırma noktası olmuştur.
Topolojik izolatörlerin enerji bandının şematik diyagramı. Genel olarak, bir yalıtkanın iletim bandı ile değerlik bandı arasında bir enerji boşluğu vardır ve elektronlar iletilemez. Bir topolojik yalıtkanın yüzeyinde, enerji boşlukları arasında bazı kuantum durumları vardır - topolojik yüzey durumu ), elektron iletimine izin verir. | Resim kaynağı: Wikipedia
Ancak belirsiz olan şey şudur: Topolojik yalıtım malzemeleri gerçek cihazlarda oda sıcaklığında kullanılabilir mi . Son bir çalışmada, Tokyo Teknoloji Enstitüsü Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü'nden bilim adamları, topolojik izolatörlerin araştırmasını yeni bir seviyeye taşıdı.
Dünyadaki en iyi performansı geliştirdiler Saf dönüş akımı (Saf spin akımı, spin açısal momentum akışı saf bir spin akımı oluşturur) Bizmut Antimon (BiSb) alaşımı, endüstriyel alanda topolojik izolatörün ilk uygulaması için en iyi aday olarak kabul edilmektedir. Bu başarı işaretlendi Dönme yörüngeli tork manyeto dirençli rastgele erişim belleği (SOT-MRAM) büyük bir adım attı ve mevcut depolama teknolojisinin yerini alması bekleniyor.
MRAM manyetik depolama elemanının şematik diyagramı. Geleneksel RAM çip teknolojisinden farklı olarak, MRAM'deki veriler şarj veya akım olarak depolanmaz, ancak manyetik depolama elemanları tarafından depolanır. Bu eleman, manyetik özelliklerini koruyabilmeleri için bir yalıtım tabakası ile ayrılmış iki ferromanyetik plakadan oluşur. Bir plaka, belirli bir polariteye sahip kalıcı bir mıknatıs (sabit katman) olarak ayarlanır ve diğer plaka, harici manyetik alan değiştikçe mıknatıslamayı (serbest katman) değiştirebilir. Bu yapı, MRAM'ın temel yapısal birimi olan manyetik tünel bağlantısı olarak adlandırılır. Her bir MRAM depolama elemanı için, iki plakanın manyetik özellikleri aynı yönde ise karşılık gelen direnç küçüktür ve bu durum "1" olarak kaydedilir; iki plakanın manyetik özellikleri tersine çevrilmişse karşılık gelen direnç büyüktür ve bu durum kaydedilir. "0" dır. | Resim kaynağı: Wikipedia
Pham Nam Hai bu araştırmanın ana lideridir.Topolojik yalıtım özelliklerine sahip bir BiSb ince film hazırladılar.Bu malzeme aynı zamanda önemli Spin Hall etkisi (Spin Hall etkisi) ve iyi İletkenlik .
Klasik Hall etkisi, harici bir manyetik alanda, bir iletkenden bir akım geçtiğinde, iletkendeki serbest elektronların Lorentz kuvvetinin etkisi altında sapacağı ve bir voltaj oluşturmak için iletkenin bir yüzeyinde birikeceği anlamına gelir. Spin-Hall etkisi, harici bir manyetik alana dayanmaz, ancak elektron spin polarizasyonu, harici bir akımın (yük akımı) etkisi altında saptırılır.Farklı polarizasyon yönlerinin spinleri, oluşmak üzere malzemenin zıt kenarlarında birikir. Spin akımı. Spin-Hall etkisini kullanan Spin-Orbit Torque (SOT) MRAM, yalnızca elektron spin polarizasyonunu kullanan geleneksel spin transfer torku (Spin-Transfer Torque, STT) MRAM olarak kabul edilir. Halef. | Resim kaynağı: Wikipedia
Nature Materials'da yayınlanan araştırma sonuçları, Nesnelerin İnterneti'nde (IoT) kullanılan yüksek yoğunluklu, ultra düşük enerji tüketimini ve ultra hızlı uçucu olmayan belleği teşvik edebilir (akım kapatıldığında, depolanan veriler ROM, MRAM, flash bellek vb. Dahil olmak üzere belleğin ortadan kalkması ve endüstride ve evlerde giderek daha fazla talep gören diğer uygulamaların geliştirilmesi.
BiSb filmin spin Hail açısı about yaklaşık 52'dir, iletkenlik 2.5x10 ^ 5'tir ve oda sıcaklığında spin Hall iletkenliği 1.3x10 ^ 7'dir. Spin Hall iletkenliğinin 2014 yılında Nature dergisinde bildirilen bizmut-selenyum alaşımından (Bi2Se3) iki kat daha yüksek olduğunu belirtmek gerekir.
Ağır metal tantal (Ta), tungsten (W), platin (Pt), BiSe alaşımı ve BiSb alaşımının spin Hall açısı, iletkenliği ve spin Hall iletkenliği. Bu deneyden elde edilen son veri satırı, BiSb alaşımının spin Hall iletkenliğinin diğer malzemelerinkinden önemli ölçüde daha yüksek olduğunu göstermektedir.
SOT-MRAM'ı uygun bir seçenek haline getirin
Şimdiye kadar, yeni nesil SOT-MRAM cihazları için uygun spin Hall malzemeleri aramak bir zorlukla karşı karşıyaydı İkilem Sorun: Bir yandan platin (Pt), tantal (Ta) ve tungsten (W) gibi ağır metal malzemeler yüksek iletkenliğe sahiptir, ancak spin Hall etkisi nispeten zayıftır; diğer yandan şu ana kadar çalışılan topoloji İzolatörün önemli bir spin Hall etkisi olmasına rağmen, iletkenliği nispeten düşüktür.
BiSb film, oda sıcaklığında yüksek iletkenlik ve dikkat çekici spin Hall etkisi gibi iki gereksinimi karşılayabilir. Bu, BiSb alaşımına dayalı SOT-MRAM'ın mevcut spin transfer torku MRAM (STT-MRAM) teknolojisini aşmasını mümkün kılar.
Pham, "SOT-MRAM'ın anahtarlama hızı STT-MRAM'den çok daha hızlı olabileceğinden, enerji tüketimi en az iki kat azaltılabilir. Üstelik yazma hızı 20 kat artırılabilir ve bit yoğunluğu 10 kat artırılabilir."
Son zamanlarda, merkezi Belçika, Leuven'de bulunan IMEC, kullanılan malzemeler ağır metaller olsa bile, bu enerji tasarrufu sağlayan SOT-MRAM'ın uygulanabilirliğini deneylerle doğruladı.
Geliştirme iyi giderse, BiSb alaşımına dayalı SOT-MRAM, karşılık gelen ağır metal belleğin performansını büyük ölçüde aşacaktır ve hatta mevcut ana akım DRAM teknolojisi (Dinamik Rasgele Erişimli Bellek) ile karşılaştırılabilir.
Harika ve ihmal edilmiş bir malzeme
BiSb alaşımı, dar enerji boşluğu ve karmaşık yüzey durumu nedeniyle araştırmacılar tarafından göz ardı edilmiştir. Ancak Pham, "Elektrik mühendisliği açısından bakıldığında, BiSb harika bir malzeme. Taşıyıcının yüksek bir hareket kabiliyeti var, bu da malzeme içindeki akımı sürmeyi kolaylaştırıyor."
"BiSb'in birçok topolojik yüzey durumuna sahip olduğunu biliyoruz, bu da daha güçlü bir spin Hall etkisi bekleyebileceğimiz anlamına geliyor. Bu nedenle bu malzemeyi iki yıl önce araştırmaya başladık."
BiSb film yüksek hassasiyette üretilmiştir Moleküler kiriş epitaksisi (MBE) yöntemi. Araştırmacılar, malzemenin güçlü spin Hall etkisinin nedeni olduğuna inanılan özel bir yüzey oryantasyonuna sahip bir BiSb alaşımı keşfettiler - BiSb (012). Pham, BiSb'nin (012) yüzeyindeki Dirac koni sayısının bir başka önemli faktör olduğuna dikkat çekti ve ekibinin bunu inceliyor olduğunu belirtti.
Grafen veya topolojik yalıtıcılar gibi iki boyutlu malzemelerde, enerji Fermi seviyesine yakın olduğunda, elektronlar doğrusal dağılım ile boşluksuz uyarma olarak görünür ve değerlik bandı ve iletim bandı tepede birleşen koniler olarak görünür. Sözde Dirac konisi.
Meydan okuma
Pham şu anda BiSb alaşımına dayalı SOT-MRAM teknolojisini test etmek ve genişletmek için endüstri ile birlikte çalışıyor.
"İlk adım, malzemenin endüstriyel üretime sokulabileceğini göstermek. Amacımız BiSb filmin endüstriyel dostu teknolojilerle yapılsa bile, örneğin Püskürtme yöntemi (Katıdaki atomların yüksek enerjili iyonlar tarafından vurulduğu, katıyı bırakıp vakum sistemine girdiği ve ardından ince bir film oluşturmak üzere biriktiği süreç) Yeterince güçlü bir spin Hall etkisi elde etmek hala mümkündür. "
"İnsanlar topolojik izolatörleri keşfettiklerinden bu yana on yıldan fazla zaman geçti. Ancak, topolojik izolasyon malzemelerinin oda sıcaklığında gerçek cihazlarda kullanılıp kullanılamayacağı net değil. Araştırmamız topolojik izolatörleri yeni bir seviyeye taşıyarak ultra düşük enerji üretiyor SOT-MRAM tüketmenin gerçekleşmesi umut ve beklentilerle dolu. "
Referans kaynağı:
https://www.titech.ac.jp/english/news/2018/042001.html
