Materialforschung: Kleine Anpassung führt zu großen Fortschritten bei SOT-Materialien für zukünftige DRAM-Speicher

BerlinWissenschaftler der Pohang University of Science and Technology (POSTECH) haben einen bedeutenden Fortschritt in der Materialforschung erzielt. Dieser Fortschritt hat bemerkenswerte Entwicklungen bei Spin-Orbit-Torque (SOT) Materialien ermöglicht, die für zukünftige DRAM-Speicher entscheidend sind. Zum Forscherteam gehören Professor Daesu Lee und Doktorand Yongjoo Jo aus der Physikabteilung sowie Professor Si-Young Choi aus der Abteilung für Materialwissenschaft und -technik. Ihre Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Nano Letters veröffentlicht.

Die bahnbrechende Entdeckung beinhaltete:

• Entwicklung hocheffizienter, feldfreier SOT-Magnetisierungsumkehr.
• Verwendung atomarer Kontrolle von Verbundoxiden.
• Fokus auf Strontiumruthenat (SrRuO₃).

SOT tritt auf, wenn die magnetischen und elektrischen Eigenschaften von Elektronen interagieren. Diese Wechselwirkung verändert den magnetischen Zustand durch die Bewegung des Spins, wenn Strom fließt. Der Einsatz magnetischer Daten anstelle von elektrischen reduziert den Energieverbrauch des Speichers. Dies ist besonders nützlich für nichtflüchtige Speicher, die Daten auch bei ausgeschaltetem Strom behalten.

Wissenschaftler untersuchen verschiedene Materialien, insbesondere Halbleiter und Metalle, um solche zu finden, die sowohl Magnetismus als auch den "Spin-Hall-Effekt" aufweisen. Ein zentraler Aspekt der Forschung ist die effiziente Magnetisierungsschaltung durch Spin-Orbit-Torques (SOTs). Ein Problem besteht darin, dass sich entgegengesetzte Spinströme in einer einzelnen Schicht gegenseitig aufheben können.

Professoren Lee und Choi gingen das Problem an, indem sie die feine Struktur des Materials veränderten. Sie konzentrierten sich auf SrRuO3, welches sowohl magnetische als auch Spin-Hall-Effekte zeigt. Durch Anpassung der atomaren Struktur der oberen und unteren Schichten erzeugte das Team SrRuO3 mit unterschiedlichen Spin-Hall-Effekten in diesen Bereichen.

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Durch die Anpassung des Spin-Hall-Effekts mithilfe einer speziell entwickelten Oberfläche gelang es ihnen, die Magnetisierungsrichtung gezielt zu steuern. Sie schafften es, die Magnetisierung ohne den Einsatz eines Magnetfelds effizient umzuschalten. Mithilfe von Spin-Orbit-Torque (SOT) integrierten sie diese Technologie in ein aus SrRuO3 bestehendes Gerät. So konnten sie die magnetische Ausrichtung allein durch elektrischen Strom verändern und Daten lesen sowie schreiben.

Das resultierende Speichermodul zeigte:

• Höchste Effizienz (2- bis 130-mal höher).
• Geringster Stromverbrauch (2- bis 30-mal niedriger).

Im Vergleich zu bekannten einlagigen, feldfreien Systemen zeigte sich, dass die Magnetisierung ohne den Einsatz eines Magnetfeldes umgeschaltet wurde, wobei die üblichen Eigenschaften von SrRuO3 aus früheren Studien erhalten blieben.

Professor Lee betonte, dass das vom Team geschaffene asymmetrische SrRuO3 von großer Bedeutung ist, um den Zusammenhang zwischen Ferromagnetismus und dem Spin-Hall-Effekt zu untersuchen. Er ist gespannt auf weitere Forschungen, die neue SOT-Mechanismen identifizieren und zur Entwicklung hocheffizienter, raumtemperaturbeständiger Einphasen-SOT-Materialien führen.

Die Untersuchung wurde durch das Samsung Future Technology Incubation Program sowie das Forschungsprogramm für Wissenschaftler in der Mitte ihrer Karriere von der Nationalen Forschungsstiftung Koreas finanziert.